IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В соответствии с «Энергетической стратегией России до 2030 года» основная задача специалистов в области теплоэнергетики - повышение экологической и технологической эффективности традиционных энергетических систем и вовлечение в топливный баланс возобновляемых источников энергии.

Приоритетное использование возобновляемых источников энергии обусловлено    необходимостью увеличения мощности энергоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий, потребностью в улучшении экологической обстановки и неуклонным ростом цен на энергоносители. Это особенно касается труднодоступных районов, не подключенных к общим сетям.

Наиболее перспективным, на наш взгляд, представляется расширение диапазона применения солнечной энергии в сфере энергетики и жилищного строительства, а также повышение эффективности использования отходов производства, в том числе древесных отходов.

Целью настоящей научной работы является исследование возможности эффективного использования возобновляемых источников энергии для снижения расхода традиционных видов топлива и защиты окружающей среды.

Для достижения поставленной цели в представленной научной работе решаются следующие основные задачи:

- анализ достижений  в области  эффективного использования возобновляемых источников энергии;

- оценка энергетического потенциала солнечной радиации для различных климатических условий;

- исследование основных вариантов использования солнечной энергии в сфере энергетики и жилищного строительства;

- анализ результатов моделирования солнечной водонагревательной установки с различными коллекторами;

- разработка комплекса технических решений по использованию солнечной энергии.

Научная новизна работы заключается в использовании гибридного солнечного нагревателя для совместной генерации тепловой и электрической энергии.

Практическая значимость работы заключается в использования возобновляемых источников энергии (солнечной энергии) с целью замещения тепловых нагрузок жилых и промышленных зданий.

Основные тезисы опубликованы в 5 научных статьях (см. прил. А).

Содержание работы.

Во введении рассмотрена современная экономическая и экологическая ситуация, обоснована необходимость повышения энергоэффективности существующих систем и вовлечения в энергетический баланс возобновляемых источников энергии. В качестве приоритетного было выбрано следующее направление работы - расширение границ применения солнечной энергии. В связи с этим аргументирована актуальность данной работы, определена цель и сформулированы задачи исследований.

В первой главе приведен обзор основных способов использования возобновляемых источников энергии. Рассмотрены системы преобразования солнечной радиации в электрическую энергию и теплоту. Приведена классификация СЭС, концентраторов солнечной энергии и фотоэлектрических элементов. Рассмотрены основные проблемы, возникающие при строительстве солнечных электростанций и возможные пути их решения.

Недостаточное внимание особенно в России уделяется вопросам использования солнечной энергии в качестве сезонного источника теплоснабжения.

Однако последние исследования в РФ подтверждают, что многие районы имеют достаточный поток солнечной радиации, в условиях которого проектирование и организация бесперебойной эксплуатации энергоустановок. В условиях нашей страны солнечная энергия используется довольно широко, но в основном в сельском хозяйстве. В качестве источника теплоснабжения солнечная энергия выступает крайне редко, несмотря на то, что в европейских странах и США это давно вполне конкурентноспособный источник теплоснабжения.

Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных и производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии (возглавляемый Безруких П.П.), Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество «Новые и возобновляемые источники энергии», отделение нетрадиционных источников энергии в ОАО Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского (ранее возглавляемое Тарнижевским Б.В.) и др. Значительный вклад в развитие этих вопросов принадлежит Осипову Г.Л., Богословскому В.Н., Табунщикову Ю.А., Кувшинову Ю.Я., Бродач М.М, Попелю О.С., Бутузову В.А., Тарнижевскому Б.В., Фриду С.Е., Мухиддинову П.М., Пенджиеву А.М., Баскакову А.П., а также зарубежным авторам Файсту В., Танаке С., Кэмпбэллу С., Мангольду Д., Вайсу В. и др.

Различают пассивное и активное использование солнечной энергии.                 

Активное использование солнечной энергии - применение технических устройств для ее преобразования, например, солнечных коллекторов, трубопроводов, циркуляционных насосов и т.д.

Приоритетные направления активного использования энергии:

- использование солнечного тепла служит для подогрева воды на нужды горячего водоснабжения и отопления (при помощи солнечного коллектора);

- преобразование солнечной энергии в электрическую (при помощи солнечных батарей и фотоэлектрических генераторов постоянного тока).

Пассивное использование солнечной энергии - использование различных частей здания для накопления тепла, например, стен, потолков и т.д. Коэффициент полезного действия такой системы зависит от различных факторов:

- климатических условий (средняя месячная температура, продолжительность солнечного освещения);

- способа использования солнечной энергии (непосредственное использование или косвенное);

- возможности накапливания тепла строительным материалом;

- способность материала к поглощению тепла поверхностью.

Преобразование солнечной радиации в тепловую энергию.

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения.

В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции. 

У лучших современных коллекторов коэффициент поглощения находится в пределах 94-95%, коэффициент излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50%.

Вакуумный солнечный коллектор

Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате КПД вакуумного коллектора получается существенно выше, чем у плоского коллектора, но это, в свою очередь, отражается на его более высокой стоимости.

Преобразование солнечной радиации в электрическую энергию.

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

 

Солнечные электростанции преобразуют энергию солнечной радиации в электроэнергию. Они бывают двух видов:

- термодинамические: преобразуют солнечную энергию в тепловую, а потом в электрическую; мощность термодинамических солнечных электростанций выше, чем мощность фотоэлектрических станций;

- фотоэлектрические: непосредственно преобразуют солнечную энергию в электроэнергию при помощи фотоэлектрического генератора.

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:

- СЭС башенного типа;

- СЭС тарельчатого типа;

- СЭС, использующие фотобатареи;

- СЭС, использующие параболические концентраторы;

- Комбинированные СЭС;

- Аэростатные солнечные электростанции.

Солнечные  панели являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем. Собираются они из отдельных солнечных элементов, принцип работы которых построен на основе явления внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

 Можно выделить 2 типа фотоэлектрических систем.

Во второй главе раскрывается понятие солнечной радиации и теоретические основы ее использования. Приведены основы расчета радиационных характеристик солнечного излучения и нагревателей горячей воды. В главе рассматривается классификация схем использования солнечной энергии. Системы рассматриваются в сравнении в масштабах применения в России и зарубежом.

Солнечная радиация - главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере. Количество солнечной радиации зависит от высоты солнца, времени года, прозрачности атмосферы. Интенсивность солнечной радиации обычно измеряется по её тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени.

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов.

Суточное аккумулирование  предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев.

Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета.

В настоящее время в России существует всего несколько фирм, выпускающих коллекторы пригодные для надежной эксплуатации.

Основными из них являются: Ковровский механический завод, НПО Машиностроение и ЗАО АЛЬТЭН.

Коллекторы Ковровского механического завода, не имеющие селективного покрытия, дешевые и простые по конструкции, ориентированы в основном на внутренний рынок. Ниша для использования этих коллекторов в России достаточно большая. В Краснодарском крае в настоящее время установлено более 1500 коллекторов такого типа.

Основная цель третьей главы - разработка перспективной схемы гелиоустановки для получения тепловой и электрической энергии на нужды промышленного предприятия.

Разработка комплекса мероприятий по использованию солнечной энергии основана на анализах математического моделирования, проведенного Попелем О.С. на базе современного программного продукта TRNSYS и данных типичного метеогода, разработанного с участием ГГО им. Воейкова (С.-Петербург) на основе статистической обработки многолетних наблюдений метеостанций города Москвы в соответствии с международно-принятой методологией.

Основная цель анализа состоит в определении возможности нагрева воды в баке в течение дня до определенной температуры, приемлемой для потребителя, за счет энергии солнечного излучения с учетом реальных климатических условий (интенсивность солнечной радиации, изменяющейся в течение дня, температура наружного воздуха).

В качестве контрольных выбраны три уровня температур нагрева воды в баке: 37^оС (это та температура, при которой вода ощущается нами как теплая), 45 и 55^оС.

Сравниваются показатели трех типов солнечных коллекторов:

- простейший одностекольный солнечный коллектор с неселективным «черным» покрытием;

- двухстекольный солнечный коллектор с неселективным «черным» покрытием;

- одностекольный коллектор с селективным покрытием.

Представлены графики изменения суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуры воздуха и температуры воды в баке солнечной установки в течение произвольно выбранных двух последовательных «типичных» дня августа.  

Эффективное использование солнечных водонагревателей возможно лишь в период с марта-апреля по сентябрь. С увеличением удельной площади солнечного коллектора количество дней нагрева воды до приемлемых температур возрастает. Температура воды на уровне не менее 45^оС при 2-3 м² солнечного коллектора в летние месяцы достигается в 22-27 случаях.

Анализ результатов моделирования показывает, что в летнее время потребитель будет иметь достаточно нагретую воду уже к середине дня (11-13 часов), а к концу дня с большой вероятностью вода в баке нагреется до 55-60^оС.

Разработка автономной схемы горячего водоснабжения цехов №7, 8, 9 деревообрабатывающего комплекса за счет использования солнечной энергии.

Определение расчетных расходов горячей воды и теплоты.

Максимальный секундный расход воды на расчетном участке q^h, л/с определяем по формуле:                                        

Вероятность действия санитарно - технических приборов на участках сети при одинаковых водопотребителях в здании без учета изменения V/Р:

Максимальный часовой расход теплоты Q^h_max:        

Годовой расход теплоты определяем исходя из того, что:

- солнечная гелиоустановка работает только для сезонного обеспечения нужд ГВС ( с конца апреля по середину сентября) = 153 дня;

- продолжительность работы установки принимается равной продолжительности дневной смены = 9 часов.

- для учета выходных дней принимаем коэффициент 5/7.

Точную площадь солнечного коллектора вычисляем по формуле:                           

В процессе прохождения учебной стажировки и участия в международном образовательном проекте «Район завтрашнего дня» в высшей школе Зюйд,  г.Хеерлен, Нидерланды был приобретен опыт по использованию зарубежных моделей гелиоустановок в жилищном строительстве для обеспечения полной автономности здания.

В современных условиях разработчики и производителя предлагают модели гибридного типа. Солнечная радиация в таких установках, попадая на поверхность фотопластины, преобразуется в электрическую энергию. Но при особенно высоких температурах нагрева поверхности солнечная панель практически перестает работать, резко падает КПД. Охладителем является обычная вода, которая после прохождения через нагретую поверхность фотоэлемента подается на нужды ГВС.

Для выбора установки приведена сравнительная характеристика гибридной солнечной установки зарубежного производства и плоских солнечных коллекторов, выпускаемых в РФ.

MWPVT-1414   Гибридная солнечная установка из монокристаллического кремния с пиковой нагрузкой Wp=175.

Площадь 1 модуля - 1,41м2.

Страна - производитель: Латвия.

Таблица1.  Основные характеристики гибридной солнечной установки марки MWPVT-1414

Марка	MWPVT‐1414
Размеры, мм	860 x 1640 x 90
Вес, кг	24,4
Объем вмещаемой жидкости, л	1,2
Состав абсорбента	Монокристалл
Число панелей в модуле	72
Размер 1 панели, мм	125 x 125
Пиковая номинальная мощность, Вт/пик	175
Номинальный ток, А	4,93
Ток короткого замыкания, А	5,2
Номинальное напряжение, В	35,3
Напряжение холостого хода, В	44,2
Состав трубок для охладителя	Медь
Скорость прохождения потока, л/ч	65
Протестирован на давление, бар	20
Рабочее давление, бар	10
Покрытие	Стекло 1 слой 4 мм
Изоляционный слой	EPDM и силикон
Максимальный предел по температуре	Не > 1100C
Рама, станина	Алюминий
Задняя сторона	Алюминий
Гарантийный срок	10 лет
Производительность (гарантии изготовителя)	До 10 лет - 90%, Свыше 20 лет - 80%.

 

Рассчитано количество вырабатываемой электроэнергии при 2 условиях работы PV/T гелиосистемы.

- при условии приоритетной работы гелиосистемы по типу солнечного коллектора;

- при условии приоритетной работы гелиосистемы по типу солнечной батареи.

Производительность 1м² модуля:

                                          Q = Wp / S × КПД,  кВт×ч/ год,            

Определены технико-экономические показатели системы.

Исходя из расчетной мощности системы получен результат:

- при первоначальных затратах на гелиоустановку в размере порядка 1 млн.руб. срок окупаемости составляет около 7-10 лет;

 - это  эквивалентно уменьшению затрат на 35 тыс.руб  в год на покупку природного газа и электроэнергии ( при годовом расходе газа в 14305 м³ и стоимости 1300 руб/ 1000м³; при выработанной электрической мощности в 6255 кВтч/ год и тарифе на покупку электроэнергии в 3,19 руб/ кВтч).

Основные выводы:

• 1. Сопоставление основных вариантов использования солнечной энергии в сфере энергетики и жилищного строительства показало, что наиболее распространенной схемой является применение солнечных нагревательных установок с целью замещения тепловых нагрузок жилых зданий.
• 2. Проведенный анализ результатов моделирования солнечной водонагревательной установки с различными коллекторами установил, что достаточно эффективным и менее дорогостоящим в условиях средней полосы России оказывается использование простого солнечного коллектора.
• 3. На основе проведенных исследований разработан комплекс технических решений по использованию солнечной радиации.
• 4. Для эффективного использования солнечной энергии принят гибридный солнечный нагреватель, который одновременно генерирует тепловую и электрическую энергию.

Код для цитирования: Скопировать