Гибридная система тепло и электроснабжения применительно к жилому сектору Иордании

Задача обеспечения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства электрической и тепловой энергией, особенно в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, а также более глобальные проблемы энергоснабжения в будущем и обеспечения экологической чистоты приводят к необходимости развития малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики.

Малая и нетрадиционная энергетика — область хозяйства, охватывающая производство, передачу, накопление и потребление электрической и тепловой энергии, получаемой за счет использования малых месторождений ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа, торфа, имеющих местное значение, и нетрадиционных возобновляемых источников энергии (в частности, солнечной энергии).

Комплексное освоение местных ископаемых и нетрадиционных источников энергии позволит решить серьезные социально-экономические и энергетические проблемы, например, в России [70]:

— обеспечения бытовых потребителей на более чем 70% территории России с населением около 22 млн. человек в настоящее время не охваченных системой централизованного энергоснабжения;

— повышения надежности энергоснабжения всех районов страны за счет создания резервных источников;

— снижения вредных воздействий энергетики па природную среду посредством использования экологически чистых новых и возобновляемых источников энергии и постепенной замены ими традиционных источников с загрязняющими отходами производства.

Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. тонн условного топлива (т.у.т), а торфа 10 млрд. т.у.т. Потенциальные возможности новых и возобновляемых источников энергии составляют в год: энергии Солнца — 2300 млрд. т.у.т.- энергии ветра — 26,7 млрд. т.у.т.- энергии биомассы — 10 млрд. т.у.т.- тепла Земли — 4000 млрд. т.у.т.- энергии малых рек — 360 млн. т.у.т.- энергии морей и океанов — 30 млн. т.у.т.- энергии вторичных низко потенциальных источников тепла — 530 млн. т.у.т. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России, который составляет 1,2 млрд. т.у.т. в год, что создает перспективы полного решения энергетической и экологической проблемы в будущем.

Экономически целесообразный потенциал органического топлива местных месторождений составляет около 870 млн. т.у.т., а экономически целесообразный потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии — примерно 270 млн. т.у.т. в год, что позволяет уже в ближайшие годы перевести многие регионы страны на энергоснабжение за счет таких источников, обеспечив их энергетическую независимость.

Например, в Иордании основными местными источниками энергии является:

— невозобновляемые источники: природный, органический газ и масляный камень;

— возобновляемые источники: энергии ветра и солнца.

Общая сумма выработанной в 1999 г электроэнергии составляет 7081 ГВт. ч, из них 6652 ГВт. ч выработано государством и 429-производством. Государство вырабатывало 5745 ГВт. ч за счет паровых станций, 147 ГВт. ч-природного газа, 9 ГВт. чмазута, 734 ГВт. чорганического газа, 14 ГВт. ч-гидростанции и 3 ГВт. чветровой энергии, а промышленность- 396 ГВт. ч за счет паровых станций и 33 ГВт. ч засчет мазута. На одного человека расходуется 1444 КВт. ч электроэнергии. Количество требуемого тяжелого топлива составило 1520 ТЫС.Т., природного газа- 216 ТЫС.Т., мазута- 61 ТЫС. Т [59]. Основными направлениями промышленности Иордании являются: легкая, химическая, фармакологическая промышленность, производство электрооборудования, машиностроение, цементное производство, добыча фосфатов и минералов из Мертвого моря. Для обслуживания основных видов промышленного производства в Иордании имеются отдельные предприятия металлообрабатывающей промышленности, в строительном комплексе участвует ряд предприятий цементной промышленности. Существуют предприятия по переработке нефти, поступающей в Иорданию из соседних стран.

Особенностью современного состояния научно — технических разработок и практического использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии является высокая стоимость получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками и относительно низким КПДв то же время существует устойчивая во времени тенденция снижения стоимости нетрадиционных возобновляемых источников энергии, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и тенденция повышения стоимости традиционных ископаемых источников энергии, обусловленная их истощением и усложнением технологии добычи.

Существуют районы страны, где по экономическим и экологическим условиям целесообразно приоритетное развитие малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики, в том числе [70]:

— зоны децентрализованного энергоснабжения с низкой плотностью населения;

— зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом мощности и значительными потерями в сельскохозяйственном производстве из-за частых отключений энергосети;

— города и места массового отдыха населения со сложной экологической обстановкой из-за вредных выбросов в атмосферу промышленных и городских котельных на органическом топливе;

— зоны с проблемами' энергоснабжения индивидуального жилья, фермерских хозяйств, мест сезонной работы, садово-огородных строений.

В разработке методов использования новых и возобновляемых источников энергии и технологического оборудования для освоения местных видов топлива Россия имеет заметные результаты па уровне, а в ряде направлений выше мировых достижений. При этом выявлены большие потенциальные возможности повышения эффективности использования источников и снижения стоимости получаемой теплои электроэнергии, что обеспечивает широкие перспективы решения энергетических и экологических проблем в будущем. Однако по объему научно — исследовательских и опытно — конструкторских работ, а тем более по объему производства оборудования и установок малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики Россия резко отстает как от ведущих, так и от большего числа развивающихся стран.

В настоящее время использование местных топливных ресурсов и нетрадиционных источников энергии не превышает 1% от годового энергопотребления страны.

Тем не менее, в России разработана и промышленно выпускается достаточно широкая номенклатура оборудования и установок малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики.

Актуальность темы

диссертации. Большое место в исследованиях нетрадиционных источников энергии Иорданского государства занимает солнечная энергия, которая составляет 2000 КВт. ч/м2, хотя до сих пор реализованное промышленное тепловое и электрическое оборудование имеет низкий КПД из-за большой потери этой энергии. В настоящее время оба вида оборудования применяются независимо друг от друга, что приводит к повышению капитальных затрат, занимаемой площади и низкой эффективности. В связи с низким КПД используемых систем исследование гибридной системы является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является создание новой гибридной системы для обеспечения режима автономного снабжения объекта тепловой и электрической энергиейповышение эффективности работ фотоэлементов при их охлаждении.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

• изучение физических основ фотоэлементов и принципов их работы.

• проведение экспериментальных и численных исследований течения и теплообмена в канале гибридного коллектора.

• экспериментальные исследования вольтамперпой характеристики (ВАХ) фотоэлемента и разработка метода расчета термодинамического КПД фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии.

• энергетический анализ и выбор наилучшего типа гибридного коллектора для применения в гибридной системесоставление математической модели, описывающей работу гибридной системы.

• применение гибридного коллектора в режиме снабжения автономного объекта.

• Использование гибридного коллектора для добычи воды.

Научная новизна:

1. Получены новые количественные данные о зависимости КПД фотоэлемента от температурыпоказано, что наличие ребер позволяет уменьшить температуру фотоэлемента или черной пластины по сравнению с плоским каналом.

2. Получены новые данные по характеристикам элементов гибридного коллектора, по температурам черной пластины (Тр), фотоэлемента, изоляции (Ть), первого и второго стекла ((Tgi) и (Tg2)), теплоносителя (Tf), КПД фотоэлемента.

3. Выбраны конструкции новой гибридной системы, обеспечивающие максимальную тепловую, электрическую или суммарную выработку энергии.

4. Впервые проведен эксперимент, описывающий изменение ВАХ фотоэлемента при изменении его температуры.

5. Исследована новая система электрического, теплового и горячего водоснабжения в конкретном доме, находящемся в королевстве Иордания на 31 широте.

6. Произведен расчет коэффициента замещения при применении гибридной системы или солнечного гибридного коллектора в сравнении с традиционными источниками, типичными для Иордании.

7. Исследованы возможности работ гибридного коллектора для решения важнейшей проблемы добычи воды в странах с территориями, близкими к пустыням.

Практическая ценность:

Созданная система откроет новые области применения солнечных гибридных коллекторов даже в тех местах, которые снабжены тепловой и электрической энергией, так как с точки зрения экономики она оправдает себя. Фотоэлемент имеет более длительный срок службы при его охлаждении. Требуется меньшая площадь поверхности для получения суммарной, тепловой и электрической энергии. Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы: при проектировании новых гибридных систем и их испытании, при проектировании теплонапряженного энергетического оборудования с целью сокращения габаритов, оптимизации характеристик течения, экономии энергоресурсов, уменьшении стоимости гибридной системы, а также для разработки, оптимизации, конструирования и производства солнечных установок, имеющих высокую эффективность при капитальных допустимых затратах.

2.4.5 Результаты исследования термодинамического КПД ФЭП.

Путем использования уравнений термодинамического баланса получен полный КПД г|пе[ солнечного фотоэлемента, уравнение (2.62) которого выражается в виде произведения двух КПД % и т]2. rjR представляет собой эффективность поглощения солнечным фотоэлементом падающей на него энергии, в то время как г|2 определяет эффективность преобразования солнечным фотоэлементом поглощенной энергии в энергию, пригодную для получения полезной работы. При выводе % и т]2 предполагалось, что и солнечный фотоэлемент и солнце ведут себя аналогично абсолютно черным телам, имеющим температуру соответственно Тс и Ts. Как T|Rтак и г|2, оба достигают максимальных значений при Тс = 0, и оба уменьшаются с ростом температуры солнечного фотоэлемента. Однако r|R уменьшается с увеличением ширины запретной зоны материала солнечного фотоэлемента Eg=hvg, в то время как г2, напротив, растет с увеличением Eg. Поскольку % и г|2 ведут себя противоположным образом относительно ширины запретной зоны, то полный КПД солнечного фотоэлемента, имеющего одну запретную зону, при температуре солнца Ts = 6000 К, при любой ширине зоны не может превысить 44%, При комнатной температуре максимальный КПД составляет rjnct =38% при Xg =2,2, что ниже полученных в более ранних работах [39] аналитических значений термодинамического КПД. Однако в своей работе [36] Генри при применении графических методов, используя эталонную массу воздуха 1,5 и земной состав солнечного спектра, вместо спектра излучения абсолютно черного тела, получил максимальное значение КПД для солнечного фотоэлемента с одной запретной зоной равное 31%,. Можно отметить, что если в графическом методе [36] вместо теории детального равновесия [38] использовать рассматриваемую теорию, очевидно, что полученное значение rjllct будет ниже, чем 31%. В данной работе, так же, как и в более ранних работах [35−39], КПД солнечного фотоэлемента определялось путем использования уравнений баланса (2.49) и (2.50), однако при этом коэффициент формы принимался g (- = 1. Коэффициент формы входит в общий КПД, уравнение (2.62), только через КПД %, уравнение (2.57) — второй КПД г|2%, уравнение (2.60), не зависит от величины g,•. Другим фактором, который, по-видимому, не является столь существенным, как коэффициент формы, является то, что потоки энергии и энтропии, соответственно Л" «и Л» «участвующих в уравнении (2.48), будут излучаться через обе поверхности солнечного фотоэлемента. Это приводит к введению сомножителя, равного 2, для значений fum» и f «» ', участвующих в уравнениях (2.49) и (2.50).

Учитывая эти факты в уравнениях (2.49) и (2.50), получим следующее выражение для T) R.

15 л f ГТ, гр т v 1 s j Т.

Si т т * У.

2.63).

Используя уравнение (2.63) можно получить модифицированное значение полного КПД, которое, однако, будет лишь незначительно отличаться от r|net, полученного по уравнению (2.62) gf = 1, при работе солнечного фотоэлемента при комнатной или более низкой температуре, поскольку g, — входит только в последний член в уравнении (2.63). При более высоких температурах солнечного фотоэлемента вклад последнего члена в уравнении (2.63) становится все более существенным и значения КПД т|псЬ рассчитанные по уравнению (2.63), будут отличаться от полученных при g- = 1. Следует отметить, что коэффициент формы gj не влияет на величину полного КПД при нулевой температуре солнечного фотоэлемента, Тс = 0. Это объясняет тот факт, почему влияние коэффициента формы на величину КПД солнечного фотоэлемента не рассматривалось в предыдущих работах, поскольку в них, как правило, расчет КПД ведется на основе метода детального равновесия.

Как уже упоминалось ранее в связи с уравнением (2.62), метод детального равновесия действителен только в случае, когда Тс = 0.

При выводе КПД согласно уравнению (2.54), было обнаружено два неожиданных результата: (2.44) увеличение КПД с уменьшением коэффициента формы gj и (2.45) rfR> 0 и даже может превышать единицу при Тс > Ts. Эти результаты вытекают также и из известных, более ранних выражений [35] для ifR при gj = 1, однако впервые они констатируются именно в данном случае. Хотя случай Тс > Ts относится к нереальным ситуациям, однако в любом случае КПД не должен превосходить 100%, Оба результата возникают в результате влияния последнего члена в rj°R, который имеет вид (Тс > Ts)4/(3gj), а его вклад гTjr) dv о определяет общий поток энергии, излучаемый преобразователем при температуре Тс. Однако, как уже указывалось в связи с уравнением (2.58), этот интеграл имеет отрицательное значение, поэтому при вычитании его из величины падающего потока энергии в действительности происходит их сложение. Таким образом, происходит увеличение падающего потока энергии, что приводит к увеличению КПД rj°R. Поскольку отрицательное значение потока энергии, излучаемой преобразователем, лишено смысла, было сделано предположение, что при записи уравнения (2.52) необходимо вычитать абсолютное значение величины излучаемой энергии из абсолютного значения величины падающей энергии, что дает выражение — ТСЛ" Ц -1(/-'" - Тс/Г)dv| (2.52а) о которое, в свою очередь, приводит к соотношению 4 Т 1 (Т зт- 3g, и).

Выражение 7°, полученное в виде уравнения (2.54а), уже свободно от двух рассмотренных выше противоречий.

Можно отметить, что численные значения, полученные из уравнения (2.54а), для всех реально осуществимых температур, из которых все удовлетворяют соотношению Тс< Ts, незначительно отличаются от значений г/1, полученных из уравнения (2.52), поскольку при таких режимах влияние последнего члена пренебрежимо мало. Полученные в настоящей работе результаты, рассчитанные при g- = 1, не изменяются в результате всех этих модификаций, поэтому это является, по-видимому, одной из причин, по которой до настоящего времени никто не обратил внимания на погрешность определения 77° (представленном уравнением (2.44)). Однако в области очень небольшой ширины запретной зоны, когда общий КПД при всех режимах работы очень мал, при очень маленьких значениях gj наблюдаются некоторые различия в значениях т/1.

2.5. Экспериментальные исследования ВАХ фотоэлемента.

При работе фотоэлемента повышается температура полупроводника, а чтобы определить влияние температур на него мы решили проводить эксперимент с помощью термовизора. НАЗНАЧЕНИЕ.

Термовизор «ИРТИС-200» предназначен для бесконтактного измерения температуры поверхности исследуемых объектов.

Параметры, характеризующие условия эксплуатации термовизора:

• температура окружающего воздуха от 10 до 35 °C;

• относительная влажность от 30% до 80%. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ.

ИК-камера ИРТИС-200 имеет следующие технические данные представленные в табпица 2.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Получен температурный коэффициент напряжения для кремниевого фотоэлемента.

2. Создана методика для расчета термодинамического КПД фотоэлемента.

3. Получен новый график эффективности экономических показателей, описывающий срок окупаемости гибридной системы в зависимости от площади гибридных коллекторов.

4. Получены новые количественные данные о зависимости КПД фотоэлемента от температурыпоказано, что наличие ребер позволяет уменьшить температуру фотоэлемента или черной пластины по сравнению с плоским каналом.

5. Получены новые данные по характеристикам элементов гибридного коллектора: по температурам черной пластины (Тр), фотоэлемента, изоляции (Ть), первого и второго стекла ((Те0 и (Tg2)), теплоносителя (Tf) — КПД фотоэлемента.

6. Выбраны конструкции новой гибридной системы, обеспечивающие максимальную тепловую, электрическую или суммарную выработку энергии.

7. Впервые проведен эксперимент, описывающий изменение ВАХ фотоэлемента при изменении его температуры.

8. Исследована новая система электрического, теплового и горячего водоснабжения в конкретном доме, находящемся в королевстве Иордания на 31 широте.

9. Произведен расчет коэффициента замещения при применении гибридной системы или солнечного гибридного коллектора в сравнении с традиционными источниками, типичными для Иордании.

10. Исследованы возможности работ гибридного коллектора для решения важнейшей проблемы добычи воды в странах с территориями, близкими к пустыням.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

F' - коэффициент. эффективности поглощающей панелиFT — коэффициент нагрева теплоносителяUL — общий коэффициент тепловых потерь,.

Вт/м .К]- У.

Ut — потери с верхней поверхности солнечного коллектора, [Вт/м .К]- У.

Ub — потери с нижней поверхности солнечного коллектора, [Вт/м .К]- 2 ас — конвективный коэффициент теплоотдачи,.

Вт/м .К]- аг — радиационный коэффициент теплопередачи,.

Вт/м .К];

L — длина канала солнечного коллектора, [м];

W — ширина канала солнечного коллектора, [м];

Н — высота канала солнечного коллектора, [м];

Ас — площадь солнечного коллектора, [м2];

То, — температура окружающей среды, [К];

Тр — температура поглощающей пластины, [К];

Те — температура стекла, [К];

Tf — температура теплоносителя, [К];

FR — коэффициент отвода тепла из солнечного коллектората) — оптический КПД солнечного коллектора;

Qu — полезная энергия, [Вт];

Qt. полезная тепловая энергия, [Вт];

Qe. полезная электрическая энергия, [Вт];

Qs — суммарная полезная энергия, [Вт]- ша — массовый расход воздуха, [кг/с]- mw — массовый расход воды, [кг/с]- x, y, z — декартовы координаты, [м]- и — продольная составляющая скорости, [м/с]- v — поперечная составляющая скорости, [м/с]- р — плотность, [кг/м3];

1 — коэффициент теплопроводности, [Вт/м.К]- Ср — удельная теплоемкость, [Дж/кг.К]- v — коэффициент кинематической вязкости, [м/с]- 2.

I — интенсивность радиационного потока, [Вт/м ]- S — поглощенная энергия, [Вт/м2]- Cf — коэффициент трения;

2 2.

Е — кинетическая энергия турбулентности, [м /с ];

Тисо — степень турбулентностиu', v', w' - пульсации скорости, [м/с]- т — напряжение Рейнольдса, [м2/с2]- v* - динамическая скорость, [м/с]- у+ - универсальная координата, [м]- и+ - безразмерная скорость;

Re — число Рейнольдса;

Рг — число Прандтля;

St — число Стантона.

ВЭУ — ветровая энергоустановка;

ГЭС — гидроэлектростанция;

СФЭУ — солнечная фотоэлектрическая станция;

ГеоТЭУ — геотермальная энергоустановка;

ГБМ — газификация биомассы;

ГСВАЛ — газ свалок;

ИспГО — использование городских отходов;

ПЭС — приливная электростанция;

ВлЭС — волновая электростанция;

ГТУ — комбинированные газотурбинные;

ТЭСУ — теплоэлектростанция на угле;

ТЭСУЭ — экологически чистые теплоэлектростанция на угле;

АЭС — атомная электростанция;

К.П.Д. — коэффициент полезного действия;

Лкол — КПД солнечных коллекторов;

СЭ — солнечные элементы;

Кс — концентрированные солнечные элементы;

UXx — напряжение холостого хода, В;

ВАХ — вольтамперная характеристика;

F) — фактор заполнения;

Лт.пк — КПД теоретический идеального кремня;

Рх — температурный коэффициент КПД.