Технологии, оборудование и материалы солнечных коллекторов

ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

профессор, д. т.н., директор ,

, , инженеры

В соответствии с федеральным законом от 01.01.2001 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и внесении изменений в другие нормативные документы» предусмотрено расширение объёмов использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одним из наиболее перспективных видов ВИЭ является солнечная энергия. Солнечные водонагревательные установки имею небольшой срок окупаемости (до 7 лет). Общее их количество в мире превышает 180 млн. м2. В России пока построено около 15 тыс. м2. Основное оборудование гелиоустановок – солнечные коллекторы (СК) небольшими партиями под заказ по устаревшим технологиям изготавливают производители в Москве (НПО «Машиностроение») и в г. Улан-Удэ (Центр энергоэффективных технологий) /1/.

Для разворачивания в России крупномасштабного производства солнечных коллекторов необходимо адаптировать современное западноевропейское оборудование, технологии и материалы.

В статье /2/ выполнен анализ конструкций плоских солнечных коллекторов ведущих мировых производителей. Установлены перспективные технические решения отдельных конструктивных элементов, в том числе основного - поглощающей панели (ПП). На рисунке 1 представлено распределение ПП СК по применяемым материалам. Большинство производителей выполняют ПП из меди. Имеет место тенденция роста количества ПП из алюминия. На рисунке 2 представлено распределение конструкций ПП. Преобладают плавниковые ПП. При изготовлении ПП производители отдают предпочтения ультразвуковой и лазерной сваркам (рисунок 3). На рисунке 4 представлено распределение технологий селективного покрытия ПП. Около половины производителей применяют селективное голубое покрытие, около трети - гальваническое покрытие «черный хром».

Рисунок 1 - Распределение СК по применяемым материалам

Рисунок 2 - Распределение конструкций ПП

Рисунок 3 - Технологии соединения трубок и листов ПП

Рисунок 4 - Распределение технологий селективного покрытия ПП

Большинство производимых в мире СК выполняются со змеевиковой гидравлической конструкцией. Для производства змеевиковых СК применяют специальные гибочные машины. Журналом «Sun, Wind Energy» выполнен анализ ведущих производителей гибочных машин /3/. В таблице 1 приведены характеристики этих машин. Австрийская компания «DTEC dynamic technology GmbH» производит машины для гнутья трубок диаметром от 5 до 18 мм с минимальным диаметром гиба 45 мм и максимальной производительностью 500 м/с. Британская фирма «Pneuform Machine LTD» выпускает машины для самых больших СК с размерами 5000×4000 мм. Она изготавливает 1м2 СК в минуту и производит в год 30 машин. Крупнейшим европейским производителем гибочных станков является германская фирма «Reimann und Rahl GBR» . В 2008 г. она отгрузила оборудования для изготовления 600000 м2 СК. Машины итальянской фирмы «Sistemi Meccanici Jndustrial (SMI) srl» способны одновременно обрабатывать 14 трубок. Отличительной чертой машин германской фирмы « Transfluid Maschinenbau GmbH» является высокое качество гибки трубок с минимальной деформацией в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Основными технологиями при производстве ПП являются ультразвуковая и лазерная сварка листов и трубок. В таблице 2 по данным журнала «Sun, Wind Energy» приведены основные характеристики ведущих мировых производителей сварочных машин для изготовления абсорберов (ПП) /4/. Ультразвуковая сварка позволяет соединять листы алюминия с медными трубками. Германская фирма «Steckmann GmbH» выпускает машины для ультразвуковой сварки как однородных (медь-медь) и разнородных металлов (медь - алюминий). Тенденции увеличения доли алюминиевых абсорберов определяется резким ростом в последние годы стоимости меди. Компромиссное решение по ультразвуковой сварке алюминиевых и медных трубок большинством экспертов признано неперспективным по причине электрохимической коррозии /5/. Будущее за конструкцией СК из алюминиевого листа и алюминиевых трубок. При этом основная проблема разработки корозийнностойкого алюминиевого сплава S-Life Solar решена германской фирмой « Standard–Metallwerke GmbH». Трубки из этого сплава прошли успешное тестирование в Швейцарском институте солнечных технологий SPF.

При производстве абсорберов СК применяется листы со специальными селективными покрытиями. В таблице 3 по материалам журнала «Sun, Wind Energy» приведены основные характеристики таких покрытий ведущих мировых производителей /6/. В Европе лидерами являются три германские фирмы «Alanod –Sunselect» (33 % производства), «Bluetec» (27 %), «Tinox» - (13 %). Все лидеры применяют вакуумный метод нанесения селективных покрытий (PVD). На рисунке 5 представлено распределение всех производимых в мире селективных покрытий.

Для сварки абсорберов представлены характеристики шести производителей ультразвуковых машин со скоростью сварки до 30 м/мин. и десяти производителей машин для лазерной сварки со скоростью до 30 м/мин.

Рисунок 5 - Распределение видов селективных покрытий мировых производителей

Таким образом для отечественных производителей солнечных коллекторов предложены технологии ведущих мировых производителей по изготовлению абсорберов: гибочных и сварочных машин, а также по поставке листов абсорберов с селективным покрытием. Для адаптации этих технологий к российским условиям требуются дополнительные исследования.

Таблица 1

Ведущие мировые производители гибочных машин

Наименование компании	DTEC dynamic technology GmbH, Австрия	Preuform, Великобритания	Rals Italia, Италия	Reimann und Kahl, Германия	Sistemi Meccanici Jndustrial (SMI) srl, Италия	Transfluid Maschinenbau GmbH, Германия
Фирменная марка	MBA 50/75	PB600 Solar	Maschine for making coils	Mäanderbiegeanlage	Modular Serpentine Bender SER 322	DB-415-CNC-2M
Диаметр труб, мм	5-18	2-16	4-22	7-12	4,76-15,88	12
Радиус гиба	от 45 мм	от 2 мм	без ограничений	по запросу	без ограничений	60 мм
Максимальная длина × максимальную ширину, мм	2500×1250	5000×4000	-	5000×2400	-	2500×1200
Производительность, мм/с	500	1,33	470	-	-	1,5
Угол гиба	Макс. 220º	0-180 º	0-180 º	0-180 º	0-180 º	0-180 º
Число труб в производственном процессе	1	1	5-6	-	до 14	1

Таблица 2

Ведущие мировые производители сварочных машин для производства абсорберов

№ п/п	Компания	Продукция	Тип абсорбера (ПП)	Максимальные размеры абсорбера (длина × ширина), мм	Скорость сварки
1	2	3	4	5	6
Поставщики машин для ультразвуковой сварки
1	Am Tech Ultrasonic Corp., США	Ultrastream 200 solar panel	Плавники/полный лист	3000×1000	До 22 м/мин.
2	Jnnovar, Швейцария	По спецификации (прайс)	-''-	варианты	Cu-Cu до 20 м/мин. Al-Al 30 м/мин.
Solstar 3	Плавник	ширина 60÷150, длина до 10000	до 15 м/мин.
RSK,	-''-	ширина 60÷200, длина неограниченна	до 50 м/мин.
3	Schunk Sonosystems Gmbh, Германия	RSK-Pl	Плавник	-''-	800000 м2/год
SWR-20	Полный лист	ширина 2500, длина неогранич.	100000- 150000 м2/год
SWR-20-AFC	Полный лист	-''-	300000 м2/год
4	SK Brazing Co. Южная Корея	100UW, 200UW, 400UW	Плавник/полная поверхность	Варианты	до 20 м/мин.
1	2	3	4	5	6
5	Sunrise Solar Machinery, Греция	SR-UWM-S180	плавник	ширина 60-180	до 30 м/мин.
SAM-20	-''-	-''-, 40-200	-''-
SR-UWL-F2500/FD 2500	Полный лист	-''- , до 1200	до 25 м/мин.
6	Ultrasonics Steckmann GmbH, Германия	Dolphin	-''-	2500×1200	до 30 м/мин.
Twin Dolphin	-''-	5000×1200 (2×2500)×1200	-''-
Поставщики машин для лазерной сварки
1	ATS Automation Tooling Systems Munich GmbH, Co. KG Германия	По прайсу	Плавники/полный лист	от 2000×1200 до 2500×1400	0 м2/год
2	DTEC dynamic technology GmbH, Австрия	Pulsspeed 556	-''-	варианты	0 м2/год
3	Electro Solar Srl., Италия	ES-T 6000	Плавник/полный лист	2200×1200	20-30 абсорбер. в час
4	Fix Maschinenbau GmbH, Германия	LSA Laser Welding Machine	-''-	3500×1400	0 м2/с
5	Kuka Systems GmbH, Германия	По прайсу	-''-	Варианты	20-40 абсорбер. в час
6	Motoman robotics GmbH, Германия	-''-	-''-	-''-	20-50 -''-
7	Reis Robotics, Германия	-''-	-''-	-''-	-
1	2	3	4	5	6
8	Renaund Lasers SARL, Франция	Helios	Полный лист	2500×1100	до 18 м/мин.
Sun Laser Continuous Fin Welder	Плавники	6000×200	до 15 м/мин.
9	SunLaser Consulting GmbH, Швейцария	Sun Laser Portal Welder	Полный лист (стандарт)	2500×1250	до 30 м/мин.
Sun Laser Portal Welder	Полный лист ( в основном)	6000×1500	до 30 м/мин.
10	Sunrise Solar Machinery, Греция	SR-LWM-S180	плавники	До 6000 длиной	до 20 м/мин.
SR-LWM-F2500	Полный лист	2500×2500	до 20 м/мин.

Таблица 3

Ведущие мировые производители материалов абсорберов с селективным покрытием

№ п/п	Производитель, страна	Фирмен-ная марка	Начало произ-водст-ва, год	Поглоща-тельная способ-ность, %	Отража-тельная способ-ность, %	Покрытие	Процесс нанесения покрытия	Материал поверх-ности абсорбера	Ширина листа абсорбера, мм	Толщина листа абсорбера, мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Alonod-Sunselect GmbH, Co KG, Германия	Mirotherm	1997	95±1	5±2	Металло-кера - мическая структура	PVD	алюминий	0,2÷0,8	До 1250
Sunselect	-	95±1	5±2	-	-	медь	до 1200	0,1÷0,5
Mirosol	-	90±2	15±3	-	-	алюминий	до 1250	0,2÷0,8
2	Almeco-Tinox GmbH, Германия-Италия	Vega AB 127	2006	95±2	5±2	Металло-кера- мическая структура	PVD	алюминий	до 1250	0,3÷0,6
Tinox-Classic	1994	95±2	4±2	Титан-нитрид-оксид	PVD	медь	до 1200	0,3÷0,6
3	Alternate Energy Tehnology (AET), США	Crystal clear	1995	94÷96	4÷9	Бинарный металлический сплав	Гальвани-ка	медь	90÷152	0,2
4	Argeo, Бельгия	Solarceo	2008	95±2	5±2	-	PVD	медь	До 1200	0,2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
5	Bhagyaragar India LTD, Индия	Nalsun	2006	96±1	12±1	Черное хромирование	гальваника	медь	115/120	0,12-0,15
6	Bluetec GmbH Co KG, Германия	Eta plus CU	2005	95±2	5±2	Металло-кера - мическая структура	Магетрон-ное напыление	медь	до 1200	0,12-0,3
Eta plus AL	-	-	-	-	-	алюминий	до 1250	0,3÷0,5
7	Chrome Coat A/S, Дания	Black Select	1995	95±2	8±2	Черное хромирование	электрохимический	медь	до165	0,12÷0,3
8	Energie Solaire S. A, Франция	AS	1977	≥94	≤18	-''-	гальваника	сталь нержавею-щая	до 1000	0,6
9	Jnnosolar Energy Co, Ltd, Китай	Bluk Coating	2003	95	5	Титан-нитрид-оксид	Магетрон-ное напыление	медь	перемен-ное	0,12÷0,2
Black Grystal	-	95	12	Черное хромирование	гальваника	медь	-	0,15-2
10	Jnnovar, Швейцария	-	2005	95	10-11	-''-	-''-	-''-	До 600	перемен-ное
11	Material Technogy Jnc.(MIT), США	Krosol	1977	95±2	8±2	-''-	-''-	-''-	До 1200	0,127/0,203
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
12	Solchrome Systems Jndia Ltd, Индия	Solchrome	-	96±2	12±2	-''-	-''-	-''-	-	-
13	Space Age Electro Technology Pvt. Ltd, Индия	Nalsun	2007	97	9	-''-	-''-	-''-	110-120	0,1-0,19
14	Sudarshan Saur Shakti Pvt. Ltd, Индия	-	2007	97	9	-''-	-''-	-''-	110-120	0,1-0,19
15	Sunstrip AB, Швеция	Sunstrip	1996	96±2	7±2	-	Магетрон-ное напыление	алюминий	70-143	0.5
16	Vardhisshnu Enyineers Pvt, Ltd, Индия	Nalsum	2006	≥92	≤20	Черный хром	гальваника	медь	75-135	0,15

Литература:

1.  Бутузов теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Промышленная энергетика, № 9, 2009, с.45-49

2.  Бутузов В. Х., , Гнатюк коллекторы. Тенденции совершенствования конструкции // Альтернативная энергетика и экология. JSJAEE. 2009. № 10, С. 41-51.

3.  Hanna Schober, Bärbel Epp. A challenge for maschinery // Sun, Wind Energy. 2009. № 10, P. 60-64.

4.  Berner Jachim/On the rise: Integrated manufacturing// Sun, Wind Energy. 2009. № 10, P. 50-58.

5.  Berner Jachim. Manufacturing: Js ultrasound the future for aliminium// Sun, Wind Energy. 2008. № 5, P. 54-62.

6.  Berner Jachim. A thick surprise in thin film// Sun, Wind Energy. 2008. № 1, P. 68-71.