еще в 1983 г. 90 % индивидуальных домов и 15 % квартир в многоквар- тирных домах были оборудованы системами солнечного горячего водоснабжения. При этом с помощью солнечной энергии удовлетворялось 3,5 % объема энергетических потребностей страны.

В Израиле в 1978 г. в эксплуатации находились около 300 тыс. солнечных установок индивидуального назначения, которые обеспечивали 1,5 % потребности страны в энергии. По данным, опубликованным в 1986 г., число таких установок в Израиле достигло 700 тыс. и с их помощью горячей водой обеспечивается 65 % населения. Предполагается, что в 90-х годах вклад солнечной энергии в топливно-энергетический баланс Израиля достигнет 5 %.

Объем производства солнечных коллекторов вмире для установок горячего водоснабжения в 1983 г. превысил 3 млн м^, а в 1984 г. -4 млн м^в том числе 40 % в США и 25 % в Японии. В настоящее время США и Япония существенно опередили другие страны по установленной площади солнечных коллекторов - соответственно 10 и 8 млн и^. Далее следуют Израиль - 1,75 млн м^ и Австралия - 1,2 млн и^.

В ряде стран Западной Европы установленная площадь солнечных коллекторов достигает также больших цифр. Так, в Испании на конец 1986 г. она составляла 220 тыс. м^, а Австралии на конец 1985 г. -180 тыс. м^, в ФРГ - 200 тыс. (по данным, опубликованным в 1986 г.). В Греции в 1984 г. солнечным горячим водоснабжением пользовались 200 тыс. семей. При этом за счет солнечной энергии обеспечивалось около 0,25 % энергетических потребностей страны. Во Франции за период с 1978 по 1981 г. было установлено около 180 тыс. м^ солнечных коллекторов. Объем их реализации в 1983 г. составил 60 тыс. м^, в 1984 г. - 66 тыс. и^, в 1985 г. - 100 тыс. м^. В Швеции по данным, опубликованным в 1987 г., только за последние 3 года установлены солнечные коллекторы общей площадью 150 тыс. м^.

Среди социалистических стран наибольшие практические успехи достигнуты в Румынии. Суммарная установленная площадь солнечных коллекторов в настоящее время составляет там не менее 0,5 млн м^. Главным образом, это системы солнечного горячего водоснабжения как индивидуальных, так и коллективных потребителей.

Согласно прогнозам масштабы использования солнечной энергии для теплоснабжения будут в перспективе существенно возрастать. Так, в Италии национальной энергетической программой предусмотрено в 1990 г. создание примерно 1 млн солнечных установок для нагрева воды на бытовые нужды. В ФРГ к 2000 г. планируется установить коллекторы общей площадью 30 млн м^ и экономить от 1,5 до 3,0 млн т. усл. топл.

В Нидерландах установленная площадь солнечных коллекторов к 1987 г. и возможности рынкя характеризуются соответственно следую-

щими цифрами: 58 тыс. м^ и 2,8 млн м^. Особенно велика емкость рынка в жилом секторе хозяйства - 1,9 млн м^ и для нужд плавательных бассейнов - 0,5 млн м^. Цель национальной программы исследований в области использования солнечной энергии - достичь ежегодной экономии к 2000 г. - примерно 1 % расходуемого топлива.

Устойчивое нарастание спроса на системы солнечного теплоснабжения стимулирует развитие НИОКР, которое ведет в конечном счете к совершенствованию гелиотехнического оборудования.

Для обеспечения высокого технического уровня отечественных солнечных коллекторов необходимо изучать зарубежный опыт проектирования указанной продукции.

В работе [9] выполнен анализ показателей солнечных коллекторов 180 модификаций, выпускаемых более чем 80 фирмами США, и 88 модификаций, выпускаемых 49 фирмами стран Западной Европы -Франции, ФРГ, Австрии, Греции, Великобритании. Этот анализ проводился по следующим признакам и характеристикам: габаритной площади, удельной (отнесенной к 1 м^ габаритной площади) массе коллектора без теплоносителя, удельному объему теплоносителя в каналах поглощающей панели, наличию (или отсутствию) селективного поглощающего покрытия, материалам поглощающей панели, применению прозрачной и тепловой изоляции, произведению оптического КПД на коэффициент отвода теплоты, произведению общего коэффициента тепловых потерь на коэффициент отвода теплоты, конструкции поглощающей панели, сроку службы и т.д.

В подавляющем большинстве модификаций коллекторов, выпускаемых в США, поглощающая панель выполнена в виде листотрубной конструкции, тогда как в Западной Европе преимущественно выпускаются коллекторы со штампосварными (из стали) и прокатно-сварными (из алюминиевых сплавов) поглощающими панелями (более 60 %).

Для изготовления поглощающей панели применяют различные коррозионно-стойкие материалы и их комбинации {табл. 3.3). Комбинирование материалов осуществляют в конструкциях листотрубного типа, причем из меди или нержавеющей стали выполняют каналы для теплоносителя, а из алюминиевых сплавов - листовую часть конструкции.

Коэффициент эффективности коллектора F лежит в диапазоне 0,93 ... 0,99, что говорит о высоких теплотехнических свойствах поглощающих панелей как американских, так и западно- европейских фирм. Применение высококачественных материалов и рациональное их использование обеспечивают низкую удельную массу солнечных коллекторов, причем у американских коллекторов этот показатель в среднем лучше, чем у европейских.

В более чем 65 % случаев средняя поверхностная плотность коллек-

3J. Объем применения различных материалов для изготовления поглощающей панели коллектора

*■ Ио 135 модификациям. *■* По 56 модификациям.

торов США составляет 15... 25 кг/м^, тогда как в европейской практике чаще встречаются несколько большие значения - 20 ... 30 кг/м^ (в 60 % случаев), что связано с более широким применением стали. Максимальная поверхностная плотность коллекторов США составляет 35, а европейских - 50 кг/м^ (менее 5 % случаев).

Малая поверхностная плотность позволяет без ухудшения транспортных и монтажных характеристик выпускать солнечные коллекторы достаточно большой площади (что способствует, в свою очередь, уменьшению поверхностной плотности, так как уменьшается вклад бокового ограждения в общую массу коллектора). Более 70 % модификаций коллекторов США имеют габаритную площадь в пределах 1,5 ... 3 м^ и почти 75 % западно-европейских модификаций -1 ... 2,5 1/?. В США модификации площадью менее 1 м^ не выпускаются вообще, а в Западной Европе их число не превышает 10 %.

Как у американских, так и у европейских коллекторов общий объем каналов для теплоносителя невелик, что обеспечивает малую тепловую инерцию коллектора и минимальные потери теплоты в ночное время. В американской практике примерно в 80 % случаев этот параметр лежит в пределах 0,8... 1,8 л/м^, в европейской же практике в 85 % случаев - в более широком диапазоне, 0,3... 2,3 л/м^. Это объясняется большим разнообразием конструкций поглощающих панелей в западно-европейских странах, причем меньшие значения соответствуют прокатно-сварным алюминиевым панелям, а большие - штампо-"-feapHbiM стальным панелям.

Селективные поглощающие покрытия в американской продукции применяются значительно чаще (в 60 % случаев), чем в европейской (примерно в 30 %).

В качестве прозрачной изоляции и в США, и в Европе используют в основном специальные стекла, имеющие высокую пропускательную

способность относительно солнечного излучения и повышенную прочность, что позволяет применять более тонкие и, следовательно, более легкие стекла. В ряде случаев прозрачную изоляцию изготовляют из специальных пластиков или просветленных радиационно-стойких пленок. Обычное оконное стекло используют лишь в единичных случаях.

Тепловую изоляцию выполняют преимущественно из пенополиизо-цианурата - в 41 % модификаций коллекторов США и более чем в 50 % модификаций коллекторов европейских фирм. Широко используется и стекловата в гидроизоляционной оболочке - около 30 % случаев как в США, так и в Европе.

Корпуса коллектора и в США, и в Европе чаще всего изготавляют из алюминия - 79 и 55 % соответственно, довольно часто из нержавеющей или простой стали с антикоррозионным покрытием - 11 и 26 % соответственно, реже применяют пластики.

Применение высококачественных материалов обеспечивает во всех рассматриваемых случаях достаточно высокие теплотехнические характеристики. Так, произведение коэффициента отвода теплоты на оптический КПД почти у 90 % модификаций коллекторов США и у 75 % модификаций западно-европейских фирм находится в пределах 0,66 ... 0,81. Что касается произведения коэффициента отвода теплоты на общий коэффициент теплопередачи, то для коллекторов США характерен диапазон 4,3 ... 5,3 Вт/(м^ ■ °С), а для западно-европейских коллекторов - 6,3 ... 7,3 Вт/(м*^-ОС). Несовпадение диапазонов обусловлено различием в соотношении числа модификаций селективных и неселективных коллекторов в этих регионах.

Срок службы солнечных коллекторов, выпускаемых и в США, и в Европе, в подавляющем большинстве случаев лежит в пределах 15 ...20 лет.

Подводя итог, можно отметить, что в среднем качество солнечных коллекторов, выпускаемых в США, несколько выше, чем у европейских фирм, однако это отличие невелико, так что уровень качества коллекторов в странах Западной Европы можно рассматривать в равной мере как эталонный.

Ес)1и сравнить приведенные выше характеристики зарубежных моделей с параметрами солнечных коллекторов, выпускаемых в СССР, в основном Братским заводом отопительного оборудования, то следует признать, что отечественные коллекторы существенно уступают зарубежным аналогам практически по всем показателям. Достаточно сказать, что их поверхностная плотность составляет 63 кг/м^, объем-каналов для теплоносителя - 4 njy?, площадь - 0,8 м^.

Применяемые материалы - обычное оконное стекло, шлаковата без гидроизоляции, простые конструкционные стали. Отсутствие специаль-

ной антикоррозионной защиты штампосварной панели ограничивает срок эксплуатации коллектора в одноконтурных системах несколькими годами, иногда шестью месяцами в регионах с неблагоприятным химическим составом воды. Использование коллекторов с такими поглощающими панелями в двухконтурных системах, позволяет увеличить срок эксплуатации до мирового уровня. Однако при этом сужается область применения коллекторов.

В Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского были проведены испытания коллекторов БЗОО, целью которых было определение общего коэффициента теплопередачи (теплопотерь) [4]. Полученное в опытах значение 8 ВтДм^ ■ °С) показывает, что комплекс для этого коллектора будет не ниже 7,6 ВтДм^ • °С). Совершенствуя продукцию, Братский завод осваивает технологию ИВТАНа нанесения селективного поглощающего покрытия типа "черный хром". Испытания образцов селективного коллектора, проведенные ЭНИНом, показали, что, несмотря на существенное снижение коэффициента теплопередачи -до 5,7 ВтДм^- °С), значение/^^ все еще остается высоким по сравнению с зарубежными данными, поскольку тепловые потери через теплоизоляцию недопустимо велики.

Из всего изложенного следует, что мировой уровень производства солнечных коллекторов может быть достигнут в СССР только в результате осуществления комплекса мероприятий и в первую очередь применения специальных высококачественных материалов. Поэтому при решении задачи модернизации выпускаемых и разработки новых коллекторов следует осуществлять параллельное освоение новых материалов и технологий. Так, ведутся совместные работы с Государственным институтом стекла (ГИС) по освоению выпуска специализированного гелиотехнического стекла с низким содержанием окислов железа, упрочненного методом ионного обмена. Указанный метод, разработанный ГИСом, предусматривает двухчасовую обработку стекла в расплаве калиевой селитры при температурах 420 ... 490 ^С. Это позволяет в 4 ... 4,5 раза повысить прочность стекла на изгиб и снизить его толщину с 4 до 2 мм без снижения надежности остекления коллектора.

Повышение надежности поглощающей панели можно осуществить, например, применяя нержавеющую сталь, в частности экономно легированную. Освоение выпуска листов из нее толщиной 0,5 ... 0,8 мм представляет важную задачу.

Разумеется, применение нержавеющей стали - не единственный путь повышения долговечности коллектора. За рубежом накоплен опыт применения пластмасс в качестве прозрачной изоляции, а также для изготовления поглощающих панелей и корпуса. К достоинствам пластмассовых материалов относятся высокая коррозионная

стойкость, малая масса, технологичность.

Однако пластмассы имеют и много недостатков, как, например, низкая теплопроводность, низкая стойкость к взаимодействию ультрафиолетового излучения; низкая термостойкость.

Пластмассовые коллекторы применяются в основном для нагрева воды в плавательных бассейнах, но используются также и в системах горячего водоснабжения и отопления, в комбинации с тепловыми насосами и для обеспечения технологических потребностей в тепловой энергии промышленных потребителей.

В качестве материала поглощающей панели применяют полисуль-фон, полипропилен, полиолефин, этиленпропиленовый мономер. Прозрачную изоляцию выполняют из поликарбоната, стабилизированного относительно ультрафиолетовых лучей. Поликарбонат и полипропилен используют также для изготовления корпуса коллектора. Улучшение тепловой изоляции может быть достигнуто переходом на пенополиизоляцианураты, причем перспективными являются вариант их заливки в корпус и изготовление специальных фольгированных или облицованных теплоизолирующих плит. Такая плита, вклеиваемая на герметике в легкую металлическую раму коллектора, образует легкий и жесткий корпус.

Опыт различных организаций (ЗНИН, ИВТАН, КиевЗНИИЭП, КиевНИИСТ и др.) по разработке и изготовлению эффективных и долговечных коллекторов показывает, что создание коллектора, не уступающего мировому уровню, может быть реально осуществлено в течение 2... 3 лет.

■ 3.2. ТРУБЧАТЫЙ ВАКУУМИЮВАННЫЙ КОЛЛЕКТОР

В последние годы в СССР и за рубежом значительные усилия были направлены на создание таких коллекторов, которые бы обладали сравнительно высоким КПД (0,3 ... 0,5) при повышенных температурах (100 ... 150 Ос и более). Для решения этой задачи используют различные способы снижения тепловых потерь коллектора в окружающую среду и повышения плотности потока солнечного излучения на поверхности теплоприемника.

Эффективное уменьшение тепловых потерь может быть достигнуто при совместном применении селективного поглощающего покрытия на поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом пространстве, содержащем этот приемник тепла. Очевидно, что оболочка, ограничивающая приемник тепла, должна быть возможно более прозрачной по отношению к солнечному излучению. При вакуумиро-вании внутреннего пространства оболочки до давления ? ^ Ю"* Па перенос тепла конвекцией становится пренебрежимо малым и может