Методика определения энергетической эффективности гелиоводонагревательных систем с плоскими коллекторами

Развитие современного общества и технологий усиливает зависимость человечества от энергоснабжения во всех областях деятельности. Становление современной отечественной энергетики начиналось со строительства как районных теплоэлектростанций, образующих энергосистемы, так и станций отдельных предприятий, нуждающихся, в надежном первоочередном энергоснабжении. Энергетика СССР стремилась к централизации, строительству станций большой установленной мощности, что обеспечивало снижение удельной стоимости оборудования и производимой энергии. В XX веке в качестве основного топлива в энергетике широко использовался уголь, что существенно1 ухудшало экологическую обстановку в районе станций. Централизованное производство электрической и тепловой энергии позволяло вынести источники загрязнения за пределы населенных пунктов, тем самым, улучшая экологическую ситуацию. К сожалению, на сегодняшний день все более широкое распространение в качестве топлива получает природный газ, что связано с относительной простотой его применения и развитием сети магистральных и распределительных трубопроводов. С экологической точки зрения его использование на энергетических установках, расположенных вблизи мест с высокой концентрацией населения, возможно. Это позволяет приблизить источники энергии к потребителю.

Освоение* современных технологий использования природного газа, местных видов топлив и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет ставить, задачу о создании распределенной энергетической системы, состоящей из большого числа производителей энергии работающих по графику тепловой нагрузки.

Во многих Европейских странах стремятся ввести системы автономного теплои электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Это делается с целью снижения зависимости от конъюнктуры топливного рынка, уменьшения экологической нагрузки, повышения надежности и эффективности [1]. Несомненными достоинствами таких энергосистем являются: экологическая чистота, независимость от аварий в центральной энергосети, стимуляция для внедрения энергосберегающих технологий, рациональное использование природных топливных ресурсов, объективный и точный учет расхода энергии каждым потребителем. В России в связи с непрерывным ростом цен на энергоносители также намечается некоторый сдвиг в данном направлении. Это видно на примере увеличения объемов строительства новых объектов с использованием энергосберегающих технологий и собственных системами энергоснабжения, а также повышения интереса к возможности внедрения возобновляемых источников энергии.

Россия имеет обширную территорию, на большей части которой преобладает холодный климат, что влечет за собой повышенные затраты на теплоснабжение. Средний показатель градусо-суток отопительного периода для территории России и ряда стран показан на рис. 1. Отсюда очевидна необходимость надежного и эффективного теплоснабжения потребителей в данных климатических условиях.

7000 6000 к 5000.

Эч.

О 4000 о с 3000 о 2000 1000 0.

Рис. 1. Среднее значение градусо-суток отопительного периода для условий Екатеринбурга и ряда стран.

6020 ш) 4014 чет ллрл.

1ЧЭ1 > им J !31f i о о о а. о. >. ю.

X S о. 0}.

О ж ш а) ш го г а. а) ас s з-х га си 0 с сВ о.

Потребление тепловой энергии в РФ в 2003 г. было на уровне 1405,2 млн. Гкал [2], в Свердловской области этот же показатель за 2006 г. равнялся 36,53 млн. Гкал из них на горячее водоснабжение (ГВС) 9,1 млн. Гкал (24,9%). Наличие ГВС повышает культуру жизни людей, обеспечивает комфорт, снижает риск возникновения заболеваний. В отличие от отопительной, данный вид нагрузки присутствует круглогодично. Между тем в России даже крупные города не могут полностью обеспечить все свое население горячей водой. По статистическим данным Правительства Свердловской области, средняя обеспеченность горячим водоснабжением жителей административных образований с численностью! населения более 100 тыс. человек составляет 65,4% (рис. 2а), с численностью населения от 50 до 100 тыс. человек — 51,2% (рис. 26). В' более маленьких населенных пунктах этот процент еще ниже. В других субъектах Российской Федерации наблюдается аналогичная картина, что свидетельствует о необходимости внедрения новых эффективных систем ГВС.

Потребители, не обеспеченные горячим водоснабжением, довольно часто имеют небольшую мощность и территориально удалены от централизованных тепловых сетей и тепловых станций, что делает экономически неоправданным строительство теплотрасс. Выходом из данной ситуации может стать создание небольших тепловых источников, расположенных непосредственно у потребителя и использующих местные виды топлива или возобновляемые источники энергии. Во многих странах таким источникам энергии отводится все большая роль, с их помощью решаются разнообразные проблемы, такие как, снабжение электрической и" тепловой энергией отдаленных поселков, обеспечение бесперебойного питания ответственных потребителей, обеспечение экологической безопасности и другие [3]. а. б.

Рис. 2. Обеспеченность населения административных образований Свердловской области горячим водоснабжением: а — численность населения более 100 тыс. человекбчисленность населения от 50 до 100 тыс. человек.

Многие территории РФ являются топливодефицитными. Так в Свердловской области доля использования собственных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляет менее 5%. В тоже время, практически повсеместно присутствуют те или иные виды возобновляемых источников энергии. Одним из таких ВИЭ является солнечная энергия, экономический потенциал которой на территории России оценивается в.

12,5 млн. т у. т. в год [4], что равняется 1,2% от объема топливно-энергетических ресурсов, потребленных в-России в 2006 г (973 млн. т у. т.) И.

Одним из способов использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в солнечных коллекторах (СК). Подобного рода системы для обеспечения горячего водоснабжения потребителей нашли широкое применение во многих странах даже с относительно холодным климатом, таких как Дания и Швеция." Однако общепризнано, что гелиоустановки, тем более малой производительности, пока не могут быть конкурентоспособными с традиционными энергоисточниками.

Для развития и освоения ВИЭ в Европе действуют две модели государственной поддержки возобновляемой энергетики. В основе британской модели — обязательные квоты на отпуск энергии от альтернативных источников. Этой модели придерживаются Франция и Ирландия, однако темпы развития нетрадиционной энергетики в этих странах значительно ниже, чем в государствах, работающих по германской модели. В Германии, Дании, Испании действуют гарантированные государственные дотации на реализацию проектов с использованием возобновляемых источников энергии.

Препятствиями на пути развития возобновляемых источников энергии в России стали отсутствие поддержки со стороны государства и обширные запасы углеводородных' ископаемых топлив, которых хватит на многие десятилетия. Именно по этим причинам считается более «рациональным» строительство традиционных энергетических установок, эффективность которых в ряде случаеввыше, чем у установок, использующих возобновляемые источники энергии.

Традиционно считается, что возобновляемые источники энергии не могут гарантировать стабильное энергоснабжение, однако недостатком только двух видов — энергии ветра и солнца — является их стохастический характер и, отсюда, необходимость аккумулирования энергии. У всех других возобновляемых источников энергии данный недостаток отсутствует. Следует отметить, что аккумулирование солнечной энергии в виде тепла уже имеет простые технические решения, опробованные на практике и доказавшие свою экономичность.

Внастоящее время, произошло выравнивание стоимости киловатта, установленной, мощности для ряда установок традиционной и нетрадиционной энергетики. Это стало следствием, ужесточения требований по экологии, предъявляемых к установкам традиционной энергетики, ведущего к их удорожанию, и развития техники и технологии производства, ведущего, к удешевлению установок ВИЭ [6].

Опыт стран мира и данные поклиматологическим исследованиям показывают, что для РФ в перспективе возможно замещение органического топлива солнечной энергией в достаточно широких масштабах. Они будут определяться с одной стороны потенциалом прихода солнечной энергии, а с другой — энергетическими затратами на создание оборудования солнечной энергетики, которое на сегодняшний день является дорогостоящим* и энергозатратным. Данных, позволяющих выполнить комплексную оценку масштабов использования солнечной энергии недостаточно, несмотря на то, что исследования по данной теме выполняются уже почти 100 лет. Поэтому целью работы является проведение исследования по определению истинной энергетической эффективности установок солнечного горячего водоснабжения, поскольку солнечная энергия имеет наиболее неравномерный и стохастический характер.

Работа выполнена на кафедре «Атомная энергетика» ГОУ ВПО «Уральский государственный технический, университет — УПИ» (УГТУ-УПИ).

Актуальность темы

В настоящее время, некоторые установки традиционной и возобновляемой энергетики близки по уровню их стоимости. Подорожание установок традиционной энергетики стало следствием ужесточения требований по экологии. В свою очередь развитие техники и технологий привело к снижению стоимости установок возобновляемой энергетики. Традиционно эффект от внедрения энергоисточника оценивался экономическими параметрами. Однако они не могут в полной мере отразить эффективность энергетической технологии, поскольку на них воздействуют субъективные факторы такие как: рост цен на материалы, политическая конъюнктура, локальные войны и катаклизмы и т. д. Поэтому для объективного сравнения и выбора типа энергетических установок необходимо проводить не только экономический, но и энергетический анализ проектов, который заключается в сопоставлении энергии, затраченной на создание объектов, с энергией, вырабатываемой ими за весь срок эксплуатации. В некоторых странах, например США, такого рода анализ является неотъемлемой частью технико-экономического обоснования проекта, поскольку он показывает истинный эффект, который можно достичь в абсолютных энергетических единицах.

Проведение энергетического анализа особенно важно для установок солнечной энергетики, поскольку данный природный источник характеризуется стохастичностью и сильным рассеянием энергии в пространстве, что требует увеличения размера установки и соответственно повышенных затрат энергии на ее создание. Задача о необходимости проведении энергетического анализа таких установок была сформулирована еще в работах П. JI. Капицы.

В области энергетического анализа-нетто установок традиционной энергетики проведен ряд исследований. Количество работ по энергетическому анализу установок возобновляемой энергетики весьма ограничено. Выполненные исследования* имеют в основном теоретический характер и не подвергались процедуре верификации.

Цель работы. Комплексное исследование технических характеристик типового плоского солнечного коллектора, создание на его основе математической модели, описывающей работу систем солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя и позволяющей определить их производительность. Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной гелиоустановки для ряда регионов РФ.

Задачи исследования.

1. Проведение экспериментальных исследований солнечного коллектора для получения основных гидравлических и теплотехнических характеристик.

2. Проведение экспериментальных исследований работы ¦ водогрейной гелиоустановки с естественной* циркуляцией' теплоносителя в натурных условиях Уральского региона.

3. Построение модели прихода солнечной радиации на поверхность солнечного’коллектора в течение светового дня.

4. Построение математической модели для определения производства энергии и эксергии водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя в течение светового дня и создание методики определения производительности за весь срок службы.

5. Определение энергетических и эксергетических затрат на создание водогрейной гелиоустановки.

6. Энергетический и экономический анализ эффективности работы водогрейной-гелиоустановки для условий Урала и ряда регионов РФ.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследований с использованием цифровых систем измерений контролируемых параметров, хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Разработана и экспериментально верифицирована методика оценки энергетической, эффективности солнечного коллектора при искусственном освещении с последующим приведением’результатов к характеристикам при спектре солнечного излучения-.

2. Выполнены натурные исследования и разработана уточненная модель определения тепловой эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной циркуляции теплоносителя в зависимости от основных конструктивных, теплофизических и режимных параметров.

3. Впервые выполнена оценка энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки, работающей в режиме естественной' циркуляции, по методике энергетического анализа-нетто в зависимости от энергетического потенциала территории.

Практическая ценность работы. Построенная модель работы водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя позволяет уточнить и упростить расчет и проектирование систем солнечного горячего водоснабжения. Созданные методики и полученные экспериментальные данные используются ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» при проектировании водогрейных гелиоустановок. Отдельные материалы исследования использованы при разработке курса «Проектирование и эксплуатация установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Уточненная методика определения полезной, выработки теплоты водогрейной гелиоустановкой с естественной циркуляцией теплоносителя с учетом переменного во времени КПД установки и суточного изменения прихода солнечной радиации.

2. Модель работы водогрейной гелиоустановки в режиме естественной циркуляции теплоносителя для конкретных конструктивных, теплотехнических и режимных параметров, позволяющая выявить факторы, способствующие повышению интенсивности естественной циркуляции и эффективности установки.

3. Методика оценки затрат энергии и эксергии, необходимых для изготовления водогрейной гелиоустановки.

4. Коэффициенты энергетической и эксергетической эффективности водогрейной гелиоустановки для условий Урала и других регионов РФ.

Личный вклад автора состоит в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых построены математические модели и проведен энергетический анализ водогрейной гелиоустановки.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 2 международных и 5 всероссийских конференциях: на Всероссийской научно-практической конференции «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г.), на VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г.), на X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), на VIII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Екатеринбург, 2007 г.), на Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии. Экология. Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2007 г.), на XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), на XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и.

Всероссийских конференций, в том числе 5 статей в реферируемых изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, выводов, четырех приложений, списка литературы, включающего 140 наименования. Общий объем диссертации 167 страниц. Работа содержит 46 рисунков и 19 таблиц.

выводы.

1. Разработана методика определения тепловой эффективности солнечных коллекторов, позволяющая проводить испытания при искусственном освещении с, последующимприведением результатов к характеристикам спектра солнечного излучения. Проведены исследования' эффективности плоского: солнечного коллектора с принудительной циркуляцией теплоносителя при искусственном* освещенииинтенсивностью от 300 до 850 Вт/м и расходах воды от 14 до 42 л/ч.

2'. В универсальной форме получена гидравлическая: характеристикаплоского солнечного1 коллектора с каналами овального профиля при движении теплоносителя в диапазоне Re от 25 до 270.

3. На основе обобщения многолетней гидрометеорологической информации: и натурных исследований разработано полуэмпирическое уравнение, удобное для анализа^ позволяющее определить приход солнечной энергии и эксергии на поверхность солнечного коллектора обращенного — на1 юг, юго-восток в любой момент времени в течение суток.

4. Наоснове теоретических и опытных данных разработана уточненная универсальная модель работы солнечной водогрейной гелиоустановки в условиях естественной циркуляции теплоносителя с заданными гидравлическими характеристиками гелиоконтура. Разработана методика определения, суточной, месячной, сезонной и годовой энергетической и эксергетической производительности установок данного типа. Произведен расчет для ряда регионов РФ:

5. На основании изучения технологийпроизводства СК разработана методика и произведена оценка энергетических и эксергетических затрат на создание типовой солнечной’водонагревательной установки.

6. Впервые на основании эксперимента, разработанной математической модели и мониторинга солнечной обстановки выполнен энергетический и эксергетический анализ эффективности водогрейной гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя, в зависимости от энергетического потенциала территорий РФ.

7. Показано, что современные водогрейные гелиоустановки, работающие в составе существующих систем горячего водоснабжения, в районах с интенсивной солнечной радиацией могут обеспечивать коэффициент энергии-нетто равный 7,5 (г. Сочи) и срок энергетической окупаемости 1,3 года, что лучше аналогичных показателей* источников энергии на угле и газе: Для автономных установок коэффициент энергии-нетто изменяется от 2,2 (г. Санкт-Петербург) доЗ, 7 (г. Сочи), срок энергетической окупаемости от 2,7 (г. Сочи) до 4,5 (г. Санкт-Петербург) лет. Коэффициент эксергии-нетто водогрейных гелиоустановок варьируется от 0,28 (г. Санкт-Петербург) — до 0,69 (г. Сочи) и срок эксергетической окупаемости от 14,4 (г. Сочи) до 35,9 (г. Санкт-Петербург) лет. Это обусловлено высокой материалоемкостью современных солнечных коллекторов и использованием в их конструкции энергоемких цветных металлов.

8. Показано, что существенное улучшение показателей возможно путем замены конструктивных материалов1 на менее энергоемкие, а также путем применения концентраторов солнечной энергии.

9. Экономическая эффективность водогрейных гелиоустановок в РФ ниже, чем в других странах из-за относительно невысокой стоимости традиционных топлив и высокой стоимости солнечных коллекторов, обусловленной ценами на цветные металлы. Наименьший срок окупаемости, равный. 4,8 года, наблюдается в г. Сочи* при использовании электрического котла, в качестве дублирующего источника энергии. При учете капитальных затрат на доставку энергоносителя до традиционного источника и ожидаемом вскоре переходе на более высокий, уровень цен на топливо экономический эффект от внедрения установок солнечного ГВС повышается в З-5 раз.

10. На основании построенной модели и проведенных расчетов показано, что применение гелиоустановки для нужд горячего водоснабжения в климатических условиях РФ позволяет экономить от 30 до 50% топлива необходимого для обеспечения ГВС.