автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии

На правах рукописи

С) Г" гт

□оэовгэта"

ПОПЕЛЬ Олег Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

05 14 01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Объединенном Институте высоких температур РАН

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Тарнижевский Борис Владимирович

доктор технических наук, профессор Грилихес Владимир Александрович

доктор технический наук, профессор, член-корреспондент Российской академии архитектуры и строительных наук Табунщиков Юрий Андреевич

Ведущая организация Московский энергетический институт (ТУ)

Защита состоится « .» 9— 2007 г в 11 ч 1РсЭ мин на заседа-

нии Диссертационного совета Д 002 110 03 в Объединенном институте высоких температур РАН по адресу 125412 г Москва, Ижорская ул , д 13/19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института высоких температур РАН

Автореферат разослан « » _

ру 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002 110 03 доктор технических наук

В А Зейгарник

Объединенный институт высоких температур РАН, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЗ) является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран в условиях постепенного истощения запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей среды Многие технологии использования ВИЗ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок в том числе российский

Актуальными задачами НИОКР являются повышение эффективности преобразования ВИЗ в полезные виды энергии поиск ниш экономически эффективного внедрения технологий, создание и опытная апробация демонстрационных установок подготовка научно-методических материалов, обосновывающих эффективные сферы и способы использования ВИЗ

Объектами исследований и разработок в диссертации являются технологии установки и системы, обеспечивающие эффективное преобразование

- солнечной энергии в тепловую энергию (системы солнечного горячего водоснабжения и отопления) в энергию «холода» (солнечные адсорбционные холодильные установки) и в электроэнергию (солнечные электростанции с термодинамическим преобразованием)

- солнечной (с помощью Фотоэлектрических преобразователей) ветровой энергии или их комбинации в электроэнергию для энергоснабжения автономных потребителей, в том числе с использованием водородных накопителей энергии

- геотермальной энергии в электроэнергию (геотермальные электростанции (Гео-ЭС) в частности энергетические установки с низкокипящими рабочими телами)

- низкопотенциального тепла от различных источников с помощью тепловых насосов в тепловую энергию для целей горячего водоснабжения и отопления

Целью работы является разработка научных и технологических основ эффективного преобразования перечисленных выше ВИЗ и их апробация путем математического моделирования работы установок и систем в условиях, максимально учитывающих реальные условия эксплуатации а также путем создания экспериментальных и демонстрационных установок

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи

1 Разработать и реализовать единый методический подход к анализу эффективности преобразования рассматриваемых ВИЗ, учитывающий их принципиальные особенности и прежде всего нестабильность поступления первичной энергии обусловленную суточными, сезонными, погодными и другими факторами

2 В области преобразования солнечной энергии в тепловую энергию

- Используя доступные источники климатической информации систематизировать обобщить и представить в удобном для практического использования виде данные о распределении ресурсов энергии солнечного излучения по территории России за различные периоды года, необходимые для оценки эффективности использования солнечных установок

- Ра1работать и с использованием имитационных моделей и путем создания экспериментальных объектов обосновать эффективные схемы солнечного горячего водоснабжения и отопления различных потребителей на основе плоских солнечных коллекторов и «солнечных прудов»,

- Разработать методику оценки эффективности применения солнечных водонагрева-тельных установок в климатических условиях различных регионов России, ориентированную на разработчиков и потенциальных пользователей солнечных установок

- Разработать и создать экспериментальные конструкции солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с применением современных теплостойких полимерных материалов обеспечивающие существенное улучшение технико-экономических показателей по сравнению с традиционными солнечными установками, изготавливаемыми с использованием металлических материалов и стекла

3 В области преобразования солнечной энергии в энергию холода с помощью адсорбционных холодильных установок провести анализ эффективности использования различных адсорбентов воды в солнечных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях, выявить основные критические параметры влияющие на эффективность преобразования солнечной энергии и разработать практические рекомендации,

4 В области раздельного и комбинированного использования солнечной (с помощью фотоэлектрических преобразователей) и ветровой энергии для энергоснабжения автономных потребителей разработать методы математического моделирования работы автономных солнечно-ветровых энергоустановок в реальных климатических условиях с целью обоснования их оптимальной конфигурации и определения возможности создания полностью автономных энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и/или водородными накопителями, сформулировать задачи необходимых экспериментальных исследований, разработать и создать прототип автономной солнечно-ветровой энергоустановки для конкретного потребителя,

5 В области преобразования солнечной энергии в электрическую энергию на электростанциях с термодинамическим циклом разработать принципиальные схемы солнечных электростанций (СЭС), работающих с использованием современных газотурбинных установок, и на основе динамического математического моделирования провести сравнительный анализ энергетической эффективности различных перспективных схем СЭС

6 В области преобразования геотермальной энергии в электрическую энергию разработать обобщенную схему и имитационную модель геотермальной электростанции и на основе единого подхода провести сравнительный анализ различных схем ГеоЭС работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низко-кипящих рабочих телах или с их комбинацией на примере разрабатываемого бинарного блока Верхнее-Мутновской ГеоЭС

7 В области преобразования низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов в тепловую энергию разработать принципиальные схемы систем теплоснабжения с парокомпрессионными тепловыми насосами, утилизирующими тепло от нестационарных источников с существенным различием графиков выделения и потребления тепла, и с использованием имитационной модели обосновать оптимальные технические решения по созданию теплонасосной системы теплоснабжения конкретного объекта

На защиту выносятся следующие результаты исследований и разработок, выполненных лично автором или под его научным руководством, обладающие существенной научной новизной и практической значимостью

1 Методика формирования базы данных и результаты построения карт распределения среднедневных потоков солнечной радиации на земную поверхность и различным образом ориентированные в пространстве неподвижные поверхности за различные периоды года для территории России для гелиотехнических приложений

2 Новый критерий эффективности использования солнечных водонагрева-тельных установок в различных климатических условиях число дней за определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые вода в баке-аккумуляторе солнечной установки нагревается за счет солнечной энергии не ниже заданного контрольного уровня температуры (37, 45 или 55СС)

3 Инженерная методика расчета эффективности работы солнечных водона-гревательных установок (СВУ) в различных климатических условиях на основе вновь введенного критерия и традиционно используемого критерия («доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии»), разработанная на основе применения современных методов динамического моделирования «типичной» СВУ Установление корреляционных зависимостей между двумя указанными выше критериями

4 Результаты анализа эффективности применения солнечных прудов для целей теплоснабжения и производства электроэнергии

5 Результаты разработки, создания и экспериментальной эксплуатации ряда демонстрационных объектов с системами солнечного отопления и горячего водоснабжения

6 Результаты разработки новых типов солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких полимерных материалов, обеспечивающих улучшенные технико-экономические и эксплуатационные показатели

7 Результаты анализа эффективности солнечных адсорбционных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях

8 Результаты анализа показателей и рекомендации по выбору оптимальной конфигурации полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и водородными накопителями с учетом реальных климатических условий места предполагаемой эксплуатации

9 Принципиальные схемы и результаты сравнительного анализа схем СЭС башенного типа, работающих с использованием регенерационного цикла Брайтона, обычного цикла Брайтона с инжекцией пара и комбинированного парогазового цикла преобразования энергии

10 Обобщенная принципиальная схема и результаты сравнительного энергетического анализа ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низко-кипящем рабочем теле или с их комбинацией в зависимости от исходных параметров геотермального флюида, свойств рабочего тела, а также с учетом ограничений по предотвращению солеотложений в пароводяном контуре станции

11 Результаты моделирования разработки и создания системы теплонасоного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, работающей с утилизацией низкопотенциального тепла масляной системы подвески телескопа в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления тепла

Большая часть исследований и разработок, представленных в диссертации, выполнялась в рамках проектов, входящих в состав федеральных и региональных научно-технических программ, инициативных проектов, финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований, Правительством Москвы, а также в рамках международных проектов 6-ой Рамочной программы Европейского союза и ИНТАС

Работы выполнялись в рамках научной школы академика А Е Шейндлина и члена-корреспондента РАН Э Э Шпильрайна

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит

- в развитии теоретических, методических и технологических основ эффективного преобразования различных ВИЭ, обеспечивающих базу для практического применения рассматриваемых технологий в различных секторах экономики,

- в создании ряда опытно-демонстрационных объектов с системами энергоснабжения с использованием солнечной энергии и утилизацией низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов,

- в практической реализации экономически эффективных технических решений по использованию возобновляемых источников энергии при реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН, обеспечивших существенную экономию электроэнергии и повышение надежности энергоснабжения,

- в разработке новых конструкций и создании научных основ для организации опытного производства плоских солнечных коллекторов и индивидуальных солнечных водонагревательных установок из теплостойких и стойких к ультрафиолетовому излучению пластмасс, имеющих при сохранении высокой энергетической эффективности в 1,5-2 раза более низкую стоимость, чем коллекторы и СБУ, изготавливаемые из цветных металлов и стекла

Достоверность результатов исследований обусловлена применением современных международно-признанных методов и программных средств динамического моделирования рассматриваемых систем и установок (ТРЫЗУБ), проведением анализа погрешностей полученных результатов и анализа чувствительности полученных интегральных энергетических характеристик к изменению ключевых параметров, проведением натурных экспериментов и положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем теплоснабжения с использованием ВИЭ

Выносимые на защиту результаты исследований и разработок получены при определяющем личном вкладе автора в постановку задач, непосредственное проведение исследований и обобщение их результатов

Публикации и апробация работы Диссертационная работа обобщает результаты научных исследований и разработок автора, полученные в основном в период с 1994 по 2007 гг, хотя в диссертацию для полноты описания некоторых рассматриваемых проблем включены также результаты более ранних работ (разработка, создание и экспериментальные исследования одного из первых в СССР экспериментального «солнечного» дома в Армении, теоретические и прикладные исследования по солнечным прудам, выполненные преимущественно после защиты автором кандидатской диссертации, и некоторые другие)

Основные результаты диссертации докладывались на многих международных и российских конгрессах, конференциях, симпозиумах и выставках

По результатам исследований разработок по теме диссертации автором опубликовано более 100 научных работ, получено 12 авторских свидетельств и патентов

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 213 источников Работа изложена на 315 страницах текста, содержит 117 рисунков и 12 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цели и основные задачи исследований Отмечается, что в условиях существенной нестабильности поступления энергии от большинства ВИЭ, обусловленной суточными, сезонными, погодными и другими факторами, использование стационарных и квазистационарных методик анализа эффективности преобразования энергии, в отличие от традиционных энергоустановок, как правило, не обеспечивает получения надежных и достоверных результатов С учетом этого обстоятельства формулируется единый методический подход к решению задач моделирования энергоустановок на ВИЭ Этот подход основан на разработке и применении динамических моделей установок Принципиальной особенностью моделей является использование в качестве исходных данных детальной актино-метрической и метеорологической информации в формате «типичного метеогода -ТМУ» (часовые годовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости

ветра и температуры атмосферного воздуха) ТМУ генерируется с помощью международно-отработанных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных Моделирование осуществляется с применением современного программного продукта ТР^ЭУЭ, используемого в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЭ ведущими мировыми научными центрами, занимающимися проблемами использования ВИЭ

Описана структура диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая значимость

В первой главе «КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ» отмечается, что новые ВИЭ становятся все более конкурентоспособными в различных секторах энергетического рынка

Наиболее быстрыми темпами в последние 5 лет развивались технологии практического использования фотоэлектрических преобразователей энергии (средний ежегодный рост в 2000-2005 гг 60%) Высокими темпами внедрялись и другие технологии использования ВИЭ ветроустановки - 28%, производство биотоплив - 25%, солнечные нагревательные установки - 17%, геотермальное теплоснабжение - 13%, малые и микро-ГЭС - 8%, в то время как традиционные отрасли энергетики развивались с темпом 2 4 % в год, в том числе крупная гидроэнергетика 2%, атомная энергетика 1,6% Сегодняшний уровень освоения ВИЭ в мире иллюстрируется табл 1

Показатели новых ВИЭ__Таблица 1

Показатели Установленная Сравнительные

мощность 2005 г показатели

Производство электроэнергии ГВт (эл )

Крупные ГЭС 720 Мощность всех

Малые ГЭС 61 энергоустановок

Ветроустановки 48 в мире

Энергоустановки на биомассе 39 3800 ГВт

Геотермальные энергоустановки 8,9

Фотоэлектрические установки 40

Солнечные тепловые электростанции 04

Океанские приливные электростанции 03

Теплоснабжение ГВт (тепл )

На биомассе 220

Солнечные коллекторы 77

Геотермальное прямое теплоснабжение 13

Геотермальные тепловые насосы 15

Количество домовладельцев с СБУ 40 млн Всего домовладельцев

Количество домовладельцев с геотерм ТН 2 млн в мире -1600 млн

Автономное энергоснабжение

Количество биогазовых установок при домаш- 16 млн Всего домов не

них хозяйствах подключенных к системам

Количество домов с автономными ФЭУ 2 млн энергоснабжения

Солнечные кухни 1 млн 360 млн

Правительствами многих стран утверждены краткосрочные и долгосрочные цели по использованию ВИЭ В ЕС прогнозируется к 2010 г увеличение удельного вклада ВИЭ в суммарное энергопотребление европейских стран до 11,5%, а к 2030 г

до 40% В диссертации приводятся подробные данные о развитии практического использования различных ВИЗ и их технико-экономических показателях Кратко рассматриваются механизмы государственной поддержки развития ВИЗ в зарубежных странах

В России серьезного внимания развитию ВИЗ пока не уделяется В отличие от других стран в России отсутствует законодательная поддержка, не приняты целевые индикаторы по их развитию в перспективе По всем направлениям практического использования нетрадиционных ВИЗ Россия пока заметно отстает от многих стран Отмечается, что при существующей стоимости органических топлив ВИЗ в районах России с развитыми системами централизованного энергоснабжения вряд ли в обозримой перспективе могут в отличие от других стран составить серьезную конкуренцию традиционной энергетике

Вместе с тем, учитывая то, что централизованные системы энергоснабжения в России охватывают менее 1/3 ее территории, около 20 млн человек в стране проживают вне систем централизованного энергоснабжения, значительное число регионов страны энергодефицитны и нуждаются в завозе топлива, лишь 52% населенных пунктов страны газифицированы, ВИЗ могли бы внести в России существенный вклад в решение следующих актуальных задач

1 Электро- и теплоснабжение автономных потребителей, расположенных вне систем централизованного энергоснабжения,

2 Сокращение завоза жидкого топлива в труднодоступные районы и на Крайний Север при одновременном повышении надежности энергоснабжения,

3 Повышение надежности энергоснабжения населения и производства (особенно сельскохозяйственного) в зонах централизованного энергоснабжения (главным образом в дефицитных энергосистемах) во время аварийных и ограничительных отключений,

4 Сокращение вредных выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения

Результаты обзорных исследований доложены автором на ряде конференций и опубликованы в недавних работах [82-84]

Вторая глава «ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ», включает в себя 5 основных разделов

В разделе «Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России» отмечается, что для разработки и эффективного применения солнечных установок необходимо обладать надежной и по возможности детальной информацией о ресурсах солнечной радиации в различных регионах России в разные периоды года Приводится обзор и анализ работ специалистов ГГО им А И Воейкова по сбору и обобщению фактической информации о характеристиках климата, созданию солнечного кадастра на территории бывшего СССР, разработке методов долгосрочного прогноза поступления солнечной энергии, созданию карт распределения солнечной

энергии по территории СССР Опираясь на результаты этих работ и исследования по оценке погрешностей экстраполяции и интерполяции данных наземных актинометриче-ских измерений, показано, что существующая сеть российских метеостанций, включающая около 100 метеостанций, где ведутся измерения солнечной радиации, не обеспечивает надежных данных для районирования территории России rio поступлению энергии солнечного излучения При площади территории России 17 млн км2 среднее расстояние между метеостанциями составляет около 500 км, а с учетом неравномерной плотности их размещения среднее расстояние между станциями в азиатской части России достигает 1000 км, в то время как данные измерений с приемлемой погрешностью могут распространяться на расстояние не более 100 - 130 км от метеостанции Появление в последние годы дополнительных источников климатической информации, основанных на многолетних спутниковых наблюдениях за поверхностью земного шара, предоставило возможность получения более детальных средних актинометрических данных, в том числе и для территории России В диссертации в качестве такого источника использована база данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (SSE) Формирование этой базы данных осуществлялось в рамках широкого международного сотрудничества и основывалось на проведении спутниковых и наземных измерений, использовании современных математических моделей распространения солнечного излучения в атмосфере Земли и верификации моделей на основе сравнения результатов расчетов и данных наземных измерений

База данных NASA содержит для всей поверхности земного шара непрерывный ряд осредненных по многолетним наблюдениям актинометрических (солнечная радиация) и метеорологических (температура воздуха, его влажность, скорость ветра) данных с пространственным разрешением 1°х1° (110 х 110 км), отклонение которых от осредненных по многолетним измерениям данных, полученных на участвующих проекте наземных станциях, по солнечной радиации не превышает 13,5%

В связи с тем, что для верификации моделей базы данных NASA использовались лишь 7 российских метеостанций, были проведены исследования точности предсказываемых данных для других точек страны на основе сравнения данных NASA с результатами прямых многолетних измерений солнечной радиации на 39 метеостанциях страны, относящихся к различным регионам и периодам года Более детальные сравнительные исследования были проведены на основе многолетних измерений солнечной радиации на метеообсерватории МГУ им М В Ломоносова Показано, что погрешность исходной информации базы NASA по средним суммам солнечной радиации для большинства «солнечных» месяцев и регионов России не превышает 15%, что вполне приемлемо для инженерных расчетов эффективности использования солнечных установок Величиной этой погрешности обусловлен и выбор величины шага районирования территории России по среднесуточной энергии, поступающей на поверхность земли солнечной радиации, составляющего для построенных нами карт распределения поступлений солнечной радиации 0,5 кВтч/м2день

Всего с использованием базы данных NASA нами построено более 100 карт распреде-

пения поступлений оопнечного излучения по территории России для каждого из 12 месяцев, квартала, полугодия и для всего года, а также для различных углов наклона приемной поверхности южной ориентации к горизонту.

В связи с расположением России в широком широтном пояое районирование территории целесообразно проводить по критерию поступления солнечной радиации на оптимально ориентированную поверхность: неподвижную южной ориентации площадку, угол наклона которой к горизонту в каждой географической точке различный и выбирается из усповия обеспечения максимального поступления на нее солнечного изпучения. Видно (рис. 1), что при таком подходе территория России разбивается на 4 окрашенных разными цветами зоны, причем наиболее «солнечными» районами России оказываются Приморье и южные окраины Сибири (от 4,5 до 5 кВтч/м2день). Традиционно считающийся наиболее «солнечным» Северный Кавказ и большая территория Центральной и Восточной Сибири характеризуются одинаковыми суммами приходящей солнечной радиации от 4 до 4,5 кВтч'м'день Большая часть территории страны от южных до северных границ независимо от широты имеет одинаковые солнечные ресурсы от 3,5 до 4 кВтч/м2день. Лишь западные и восточные окраины России характеризуются относительно низкими среднегодовыми поступлениями солнечной радиации - от 3 до 3,5 кВт ч/м2день.

Рис. 1. Среднедневные суммы солнечной радиации (кВтч/м2день) за год. оптимально ориентированная поверхность

Основные результаты работ по данному разделу опубликованы в работах [36,5254,81]

Основная задача, рассматриваемая в разделе «Эффективность использования солнечных водонагревательных установок (СВУ) в различных климатических условиях», состоит в разработке методики оценки эффективности применения солнечных водонагревательных установок в климатических условиях различных регионов России, ориентированной на разработчиков и потенциальных пользователей СВУ. Результаты проведенных исследований в этой области опубликованы в работах [1,3,9,29-31,33,35-38,41-43,50,52-54,57,73,77.78]. Объектом анализа являют-

ся простейшие солнечные водонагревательные установки (СБУ), ориентированные на индивидуальных потребителей с суточным потреблением от 100 до нескольких сот литров горячей воды в сутки Принципиальная схема солнечной установки, рассматриваемая как «типичная», изображена на рис 2

Традиционным критерием энергетической эффективности использования солнечной энергии для нагрева воды1 является доля покрытия нафузки горячего водоснабжения за счет солнечной энергии2/ у _ ЯчАт __

Ям«! Яшк,г + Яп1 где С?,ыаг - энергия солнечного излучения, пошедшая на нагрев воды, - суммар-

" ная энергия, затраченная на нагрев воды

Рис 2 Принципиальная схема солнечной ^ . =

водонагревательной установки необходимой потребителю температу-

1- солнечный коллектор, 2- бак- ]эы, которая в общем случае равна сумме

аккумулятор, 3 - вывод горячей воды к по- д подведенной от резервного

требителю, 4 - ввод холодной воды

5- блок автоматики 6- циркуляционный нагревателя^// Доля покрытия нагрузки/

насос, 7 - резервный нагреватель изменяется в диапазоне от 0 до 1

В первом случае нагрев воды осуществляется только от резервного нагревателя, во втором - только за счет солнечной энергии Важно отметить, что в случае, если за счет солнечной энергии вода в баке-аккумуляторе нагревается выше необходимой потребителю температуры (ясный солнечный день и/или чрезмерно большая площадь солнечных коллекторов), то избыток затраченной энергии не учитывается, величина / ограничивается 1

Новый показатель эффективности СВУ наряду с «долей покрытия нафузки» позволяет получить дополнительную информацию о работе СВУ и является более понятным и наглядным для потенциальных пользователей, не всегда разбирающихся в тонкостях энергетического баланса установок Этот показатель характеризует число дней Л/„(-за определенный период времени (месяц, квартал, полугодие, год), в которые вода в баке-аккумуляторе рассматриваемой СВУ нагревается за счет солнечной энергии до температуры не ниже, чем контрольная (/*) Если рассматриваемый период содержит Ытах календарных дней, то соответствующий удельный показатель имеет вид

я . = ы N.....

1 Даффи Дж А, Бекман У А Тепловые процессы с использованием солнечной энергои - М, Мир, 1978

2 В зарубежной литературе он носит название «solar fraction», в отечественной литературе иногда называется коэффициентом замещения

Данный показатель, также как f, изменяется в диапазоне от 0 до 1 и информирует о том, какую долю дней в интересующем периоде года солнечная установка обеспечит нагрев воды в баке-аккумуляторе не ниже, чем до контрольной температуры без использования резервного нагревателя Таким образом, этот показатель применим не только для СВУ с резервным нагревателем, но и для простейших установок, его не имеющих

В качестве контрольных температур f* выбираются такие значения которые представляют интерес для потребителя Нами рассматриваются значения t*= 37, 45 и 55°С, имеющие потребительскую значимость и присутствующие в нормативных документах по горячему водоснабжению

Анализ показателей эффективности СВУ базируется на динамическом моделировании «типовой» установки в конкретных климатических В процессе почасового моделирования с использованием исходных климатических данных в формате TMY и программы динамического моделирования TRNSYS3 рассчитываются ежесуточные показатели установки, фиксируются достигнутые температуры нагрева воды и затем полученные результаты статистически обрабатываются для различных периодов года

В выполненных исследованиях применительно к климатическим условиям России, а затем и Европы, было установлено, что в рамках сформулированной постановки задачи имеют место универсальные зависимости ранее введенных показателей эффективности СВУ от сумм солнечной радиации, приходящей на поверхность земли, позволяющие создать инженерную методику оценки эффективности СВУ в зависимости от ее конструктивных параметров и климатических условий эксплуатации Полученные результаты создали предпосылки для расширения географической зоны анализа на другие континенты Приведенные ниже данные относятся к 1049 метостанциям, распределенным по частям света следующим образом Африка - 144, Азия - 158, Антарктида - 10, Австралия и Океания - 45, Северная и Центральная Америка - 404, Южная Америка - 121, Европа - 167 В число этих метеостанций входят соответственно и метеостанции, расположенные в европейской и азиатской частях России Первичными источниками климатической информации служили база климатических данных Международного центра поддержки решений по возобновляемой энергетике (RETScreen, Канада)4, содержащая необходимую информацию с более чем 1000 метеостанций по всему миру, база NASA, а также Научно-прикладной справочник по климату СССР

Некоторые примеры обобщения результатов моделирования СВУ в Ъиде зависимостей «удельного числа дней» от среднедневной суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность за рассматриваемый период года иллюстрируются рис 3-5 Рисунки относятся к типичной СВУ с площадью солнечного коллектора 2 м2 Рис 3 характеризует работу СВУ в течение всего года (365 дней), рис 4 - в течение теплого полугодия, рис 5 - в течение летних месяцев Видно, что, несмотря на определенный разброс расчетных точек, обусловленный особенностями микроклимата

3 TRNSYS - The Transient System Simulation Program // http //sel me wise edi^RNSYS/

4 RETScreen International Renewable energy decision support center, www retscreen net

различных районов, имеет место явно выраженное расслоение массива точек по контрольным температурам, причем с ростом среднедневной суммы солнечной радиации удельное число дней возрастает, приближаясь к 1. При относительно малых значениях среднедневной энергии солнечной радиации число дней стремится к 0.

(■■»ГС • С=45*С Г =55'С

V Д\

0

Н • Г=45"С Г=55*С [

Мр

/Л Г ¿о^

щ

5Ш . кВ т-и'р,1 'л в н ь

. кВтч,'м'двмь

Рис. 3. Результаты моделирования работы ти- Рис. 4. Результаты моделирования работы типичной СВУ в течение всего года (Ы^ = 365) пичной СВУ в теплое полугодие (N„,„=183),

площадь коллектора 2 м2

площадь коллектора 2 м'

, М'М

Г-ЗГС

А ■ Г=45*С

1*=55 С

ш

■ Г--15"С ■ [*-55"С

ш

4 ¥

ж

З/М . кВтч^м'деьъ

Рис. 5. Результаты моделирования работы Рис. 6. Корреляция между и долей по-

типичной СВУ в летний период (Ищи = 92}, крыгия тепловой нагрузки (площадь площадь коллектора 2 мг коллектора 2 лето}

Результат анализа корреляции между двумя критериями эффективности: удельным числом дней и долей покрытия нагрузки для летнего периода работы СВУ представлен на рис. 6. Видно, что если доля покрытия нагрузки ! близка к 1, что достигается. например, путем увеличения площади солнечного коллектора, то и удельное число дней п также близко к единице, т.е. практически во все дни рассматриваемого периода года СВУ нагревает воду не ниже, чем до контрольного уровня температуры. При уменьшении площади солнечного коллектора оба показателя снижаются, причем существует некое пороговое значение доли покрытия, при котором л - 0. Для рассмотренного на рис 6 сличая это пороговое значение соответствует /' = 0.4.,.0,5. Этот факт является исключительно важным с практической точки зрения, поскольку свидетельствует о том, что солнечная установка, имеющая про-

ектную долю покрытия нагрузки за счет солнечной энергии ниже 0,5, без использования резервного нагревателя воду до контрольного уровня температуры нагреть не сможет Или, с другой стороны, создание СБУ без резервного нагревателя должно быть ориентировано на получение высоких значений доли покрытия, по крайней мере, превышающих 0,5

Полученный относительно небольшой разброс данных по зависимостям удельного числа дней от суточных сумм солнечного излучения позволил провести их обработку с получением более или менее универсальных аппроксимационных соотношений, пригодных для проведения инженерных расчетов Указанные зависимости имеют вид широко используемых, в том числе и в гелиотехнике, «input-output» диаграмм, т е соотношений между входными и выходными «сигналами» системы, рассматриваемой как «черный ящик» В нашем случае «входным сигналом» служит наиболее существенный климатический параметр - среднедневная сумма солнечного излучения за рассматриваемый период года, выходным - удельное число дней, в которые температура воды в баке-аккумуляторе СВУ не ниже контрольного значения

Разработанная и подробно описанная в диссертации инженерная методика, опубликованная в работах [52-54], позволяет потребителю на основе вариантных расчетов определить подходящую площадь солнечных коллекторов и провести соответствующие экономические оценки В диссертации приведены конкретные примеры использования предложенной методики для различных населенных пунктов России Выполненный анализ эффективности использования СВУ в различных климатических условиях регионов России ясно свидетельствует о возможности эффективного использования солнечной энергии, по крайней мере, для сезонного получения нагретой воды не только в южных районах, но и в средней полосе России и даже на Севере

Раздел «Преобразование энергии солнечного излучения с помощью солнечных прудов» посвящен рассмотрению процессов преобразования энергии и анализу эффективности практического использования солнечных прудов (СП) СП представляют собой интересный класс солнечных установок, привлекающих возможностью обеспечить экономически эффективное преобразование солнечной энергии в тепло в различных природно-климатических условиях с последующим его использованием для целей теплоснабжения, опреснения воды, получения соли, а в некоторых случаях и для производства электроэнергии Благоприятные технико-экономические показатели солнечных прудов обусловливаются относительной простотой конструкции, малой материалоемкостью, совмещением в единой конструкции функций преобразователя энергии солнечного излучения и аккумулятора тепла длительного хранения Последнее особенно важно в условиях непостоянства поступления солнечного излучения на поверхность земли, обусловленного сезонной и суточной периодичностью и изменяющимися погодными условиями

В диссертации представлена классификация разновидностей солнечных прудов Основным объектом рассмотрения в данной работе являются стабилизированные СП с

искусственно создаваемым градиентам солевой концентрации по глубине пруда (СПГСК). принципиальная схема которых представлена на рис. 7

Исследованиям СП посвящены работы автора 80-х годов [4,6,12-16.19]. Результаты этих исследований были суммированы в кандидатской диссертации5, в которой:

- разработана математическая модель СПГСК. обеспечивающая возможность численного расчета сезонных и долгосрочных энергетических показателей различных схем теплоснабжения на основе СП, в том числе работающих совместно с тепловыми насосами, в различных климатических условиях;

Рис, 7. Принципиальная схема работы СПГСК

- разработана обобщенная кеаэ и стационарная аналитическая модель СП и на ее основе развита инженерная методика параметрического исследования среднегодовых показателей работы СП на тепловую нагрузку;

- проведен сравнительный анализ различных схем теплоснабжения на базе СП. Показано, что в климатических условиях СССР, особенно в районах с умеренным поступлением солнечной радиации, лучшие энергетические показатели имеет схема, предусматривающая использование СП в качестве источника низко потенциально го тепла для теплового насоса;

- продемонстрирована возможность повышения теппоаккумупирующей способности пруда и улучшения показателя пруда как сезонного аккумулятора солнечного тепла при частичном заполнении его нижней кон вею ив ной зоны плавящимся теппоакку-мулирующим веществом (глауберова соль, парафин);

- проведен укрупненный экономический анализ возможных направлений использования СП, в том числе, для целей теплоснабжения, опреснения воды и производства электроэнергии в низкотемпературном паросиловом цикле Показано, что наиболее перспективными направлениями использования СП является получение ниэкопотенци-ального телла и опреснение воды.

5 О.С.Попель, Исследование систем теплоснабжения на основе солнечных прудов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. ИВТАН, 1988.

В настоящей диссертации приводятся некоторые результаты развития работ, обобщенных в кандидатской диссертации, связанные, прежде всего, с выполнением в 90-х гг совместных со специалистами института Теплоэлектропроект [20] разработок солнечных прудов по заказу бывшего Минэнерго СССР Эти разработки были направлены на создание в Крымской области, вблизи г Евпатория, опытно-промышленного энергетического комплекса на базе нетрадиционных источников энергии, одним из важных компонентов которого должен был стать опытно-промышленный СП площадью до 1 км2, основное назначение которого - горячее водоснабжение и отопление близлежащих курортных поселков Несмотря на то, что эти разработки в связи с распадом СССР, к сожалению, реализованы не были, выполненные исследования, на наш взгляд, имеют практическую значимость и могут быть использованы в случае реализации аналогичных проектов в будущем

Одна из проблем, которая не была в полной мере рассмотрена в кандидатской диссертации, но потребовала своего решения в связи с выбором конкретного места создания солнечного пруда, это - проблема анализа влияния свойств грунта и глубины залегания подземных вод на теплотехнические характеристики солнечного пруда Она возникла в связи с тем, что в процессе обоснования места размещения солнечного пруда в районе г Евпатория были предоставлены две возможности район высыхающего соленого оз Тереклы, имеющий большие запасы фактически бесплатной соли, но характеризующийся высоким уровнем грунтовых вод (0,2 м), и район добычи извести, отличающийся глубоким залеганием грунтовых вод (около 100 м)

С использованием разработанной в кандидатской диссертации математической модели эти альтернативные варианты были сравнены между собой, причем расчеты проводились для двух вариантов использования СП

а) получение теплоносителя с повышенной температурой, максимально близкой к требуемой по условиям теплоснабжения потребителей,

б) применение СП как источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса В этом случае температуру рассола в солнечном пруде в течение года целесообразно поддерживать на уровне, соответствующем диапазону рабочих температур теплового насоса, т е в интервале 10 40°С

Сравнение рассмотренных вариантов размещения СП показывает, что глубина залегания грунтовых вод является важным фактором, существенно влияющим на эффективность работы солнечного пруда Использование естественных соленых водоемов, с одной стороны, привлекает возможностью сократить затраты на рытье котлована и поставку соли, но с другой стороны, из-за большой вероятности неглубокого залегания фильтрующихся грунтовых вод может существенно снизить эффективность нагрева воды из-за повышенных тепловых потерь в грунт Искусственная теплоизоляция дна повышает стоимость сооружения Возможность получения повышенных температур рассола, пригодных для обеспечения прямого теплоснабжения потребителей, оказывается ограниченной по времени го-

да (для случая расположения СП вблизи оз Тереклы температура выше 50°С достигается только в теплые период года (рис 8Ь), причем при относительно низких значениях удельного теплосъема - до 10 Вт/м2)

При строительстве СП на альтернативной площадке с низким уровнем грунтовых вод значительно снижается расход песка на теплоизоляцию дна пруда, а следовательно, затраты на его транспортировку и укладку, но главное - при нагрузке 10 Вт/м2 (рис 8а) появляется возможность круглогодично обеспечивать потребителя горячей водой без дополнительного ее догрева При удвоенной средней тепловой нагрузке (20 Вт/м2) эксплуатация СП без догрева воды может осуществляться в течение полугода

Рис 8а Температура рассола в НКЗ сол- Рис 8Ь Температура рассола в НКЗ солнечного пруда при глубине залегания нечного пруда при глубине залегания грун-грунтовых вод 100 м товых вод 0,2 м

1 -С!н=0, 2-Он= 10,3-О„ = 20, 4- Он= 1 - Он= 0, 2 - Он= 20, 3 - 0„ = 40, 4 - <Э„ =

30 Вт/м2 60 Вт/м2

Аналогичные расчеты были проведены для СП значительно меньшей глубины, предназначенного для работы в комбинации с тепловым насосом Как видно из рис 8Ь, солнечный пруд работающий в комбинации с тепловым насосом, при тепловой нагрузке в 60 Вт/м2 может обеспечивать потребителей горячей водой в течение всего года Кроме того, этот вариант строительства СП в сравнении с традиционным имеет следующие преимущества

- уменьшаются расходы на сооружение котлована, поскольку глубина пруда, обычно составляющая 2,5 3,5 м, в данном случае не превышает 1 м,

- сокращаются затраты на соль как благодаря уменьшению объема пруда, так и вследствие того, что при относительно невысокой температуре придонных слоев не требуется создания большого градиента концентрации рассола (следовательно, и средняя концентрация соли в пруде может быть уменьшена),

- упрощается процедура контроля и поддержания зонной структуры СП ввиду большей устойчивости этой структуры при меньших градиентах температуры и тем самым сокращаются эксплуатационные расходы

12 3 9 5 6 7 9 9 10 11 12 Месяцы

2 3 У 5 6 7 в 9 10 11 12 Месяцы

На основе полученных расчетных данных были выполнены оценки технико-экономических показателей трех вариантов создания СП в составе Евпаторийского комплекса

Показано, что наименьшими капитальными затратами и наименьшей себестоимостью отпускаемой потребителю тепловой энергии характеризуется вариант II В существовавшей в начале 90-х годов структуре цен система теплоснабжения на основе такого солнечного пруда оказалась вполне конкурентоспособной себестоимость тепловой энергии оказалась на 30 40% ниже ее стоимости в системе Крымэнерго Вариант теплоснабжения на основе более мелкого пруда с тепловыми насосами несколько уступал варианту II, но был признан также экономически целесообразным Вариант I с мелким залеганием грунтовых вод оказался наименее экономичным

В порядке оценки также был рассмотрен вариант использования СП для производства электроэнергии В этом случае место теплообменника занимает модуль энергоустановки на низкокипящем теплоносителе Было показано что кпд преобразования солнечной энергии составляет менее 1,5% и по экономическим показателям его использование для производства электроэнергии нецелесообразно

Приведенные выше результаты технико-экономических оценок эффективности использования солнечных прудов для тепло- и электроснабжения, полученные на основе конкретных проектно-конструкторских проработок начала 90-х годов, не могут быть в полной мере перенесены на сегодняшнюю экономическую конъюнктуру и требуют существенных уточнений Вместе с тем они подтверждают справедливость теоретических выводов кандидатской диссертации автора и свидетельствуют о целесообразности более детальной проработки технологии с учетом современных экономических условий

На основе изложенных результатов сформулированы следующие выводы

- солнечные пруды представляют собой интересные с точки зрения изучения процессов преобразования солнечной энергии и перспективные для многофункционального (теплоснабжение, опреснение воды получение соли, производство электроэнергии и др) практического использования объекты технологии создания и эксплуатации которых пока еще нуждаются в разработках

- разработаны методы расчетно-теоретического анализа эффективности использования солнечных прудов в различных климатических условиях, которые апробированы при разработке ряда конкретных проектов

- наиболее эффективным направлением возможного практического использования солнечных прудов в условиях России является теплоснабжение Наряду со стабилизированными СП с градиентом солевой концентрации, в связи с достижениями в области создания разнообразных полимерных сотовых материалов, в дальнейших исследованиях и разработках целесообразно уделить внимание также конструкциям СП с механической стабилизацией и нестабилизированным солнечным прудам, эксплуатируемым, в том числе, совместно с тепловыми насосами

- при разработке проектов солнечно-прудных установок необходимо принимать во внимание конкретные геологические условия (свойства фунта подземные воды), а при проектировании резервуаров под СП опираться на технологии, отработанные при создании рассоло-хранилищ для крупных подземных хранилищ нефтепродуктов в солевых кавернах

В следующем разделе второй главы диссертации «Разработка новых типов солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких пластмасс» проведено сравнение технического уровня солнечных коллекторов (СК) отечественных и зарубежных производителей и обоснована целесообразность поиска новых технических решений позволяющих при сохранении высоких показателей теплотехнического совершенства конструкций существенно снизить удельный вес и стоимость СК

Отмечено, что ежегодный объем продаж солнечных тепловых установок на основе СК в мире приближается к 2 ГВт в год (примерно 3 млн м2 СК в год) Производством СК и установок занимаются сотни малых и крупных фирм в различных странах мира Разработаны разнообразные конструкции СК с плоскими, трубчатыми и концентрирующими приемниками солнечного излучения Вместе с тем при всем многообразии конструкций и технологий производства сегодня наиболее распространенными являются плоские СК, основные компоненты которых - тепловоспринимающая панель и светопрозрачное ограждение - в своем абсолютном большинстве изготавливаются соответственно из металла и стекла

В качестве исходной базы для анализа уровня технического совершенства плоских СК нами использована база данных Института солнечных технологий (Institut fur Solartechnik, SPF, Швейцария)6 - крупного международного сертификационного центра по солнечным установкам, в течение многих лет проводившего испытания солнечных коллекторов различных производителей (не только европейских) По данным на начало 2005 г в SPF было испытано 203 СК, из них плоских СК с остеклением (именно они являются основным объектом нашего анализа) - 174 При широком разнообразии испытанных конструкций все СК имеют металлическую теп-ловоспринимающую панель (как правило, покрытую селективным оптическим покрытием) и стеклянное прозрачное ограждение

В качестве показателей технического совершенства плоских СК нами рассматриваются весогабаритные характеристики (рис 9)

- габаритная площадь единичного солнечного коллектора (м2),

■ удельная (в расчете на единицу габаритной площади) масса (кг/м2), а также обобщенные параметры теплотехнического совершенства, определяющие эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло (рис 10)

- оптический кпд коллектора, F'(ta) и

- приведенный коэффициент потерь,

где F'- коэффициент эффективности поглощающей панели коллектора, г- пропуска-

6 Institut fur solartechnik SPF, Швейцария II http //www solarenergy ch

20

тельная способность остекления, а- по глотательная способность панели. (Д - коэффициент тепловых потерь (Вт/(м£К).

Для оценки тенденций изменения перечисленных параметров за последнее десятилетие мы опирались не результаты обстоятельного сравнительного анализа технических характеристик плоских СК, выполненного а работе7 10 лет тому назад с целью обоснования направлений и критериев разработки СК в бывшем СССР

Показано, что за прошедшее десятилетие наметилась тенденция освоения производства СК большей единичной площади: абсолютное большинство СК сегодня имеют габаритную площадь 2 и более квадратных метров. Начато производство СК с единичной площадью 6 м2 (второй максимум на гистограмме рис. 9а) и даже 8 м2 Максимум гистограммы удельной массы коллекторов за последние годы сдвинулся влево, что соответствует снижению удельной массы примерно на 5 кг/м2. Сегодня лучшие СК с металлическими тепловоспринмающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением имеют удельную массу 15...20 кгЛ/ (максимум распределения на рис. 9Ь).

1 а в а та 12 Габаритная площадь, м2

Рис. 93. Распределение габаритной площади СК по количеству образцов

та 2а зо 40 Удельная масса СК, кг/м-

Рис.ЭЬ. распределение удельной массы СК по количеству образцов

0.50 05Í 0 60 0 65 0.70 075 О ОС

Оптический КПД CK. F'(та)

Рис. 10а. Распределение оптического КПД СК по количеству образцов

2 3 4 5 6

F'Ulбез ветра. Вт/(мгК)

Рис. 10Ь. распределение приведенного коэффициента потерь СК по количеству образцов

т Б В. Тарнгокеаский, И.М. Абуев Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России. Теплоэнергетика. №4. 199?.

Оптические свойства также как и типичные теплопотери солнечных коллекторов за последние годы практически не изменились Этот факт говорит о том, что конструкции и технологии производства солнечных коллекторов вышли на предельные показатели, все технологические резервы дальнейшего улучшения показателей теплотехнического совершенства солнечных коллекторов с металлическими тепловоспринимающими панелями и стеклянным ограждением фактически исчерпаны

В диссертации представлена обобщенная информация о характеристиках плоских СК, выпускаемых рядом российских и украинских производителей Наиболее широкое практическое применение в России находят СК ОАО «Ковровский механический завод» площадью 1 м2, массой 27 кг, F\ja) = 0 72 и F'Ul = 54 Вт/м2К, и НПО «Машиностроения» -СК «Сокол» площадью 2 м2, массой 54 кг, F(та) = 0 79 и F'U¡_ = 41 Вт/м2К Оптические кпд коллекторов КМЗ и «Сокол» в целом соответствуют большинству зарубежных СК Несколько завышенный приведенный коэффициент потерь СК КМЗ объясняется неселективностью его поглощающей панели Удельная масса СК КМЗ и «Сокол» заметно больше массы большинства зарубежных СК, что свидетельствует о потенциальных возможностях для совершенствования конструкций СК с единичной площадью около 1 м2 за рубежом сегодня уже практически не выпускаются

Проведенный анализ показывает, что резервы снижения стоимости СК, изготавливаемых по традиционным технологиям, практически исчерпаны В будущем стоимость традиционных СК, по-видимому, будет только возрастать с учетом инфляционных процессов, ростом стоимости рабочей силы и исходных материалов

На российском рынке СК отечественных производителей сегодня, как правило, можно приобрести по более низким ценам, чем зарубежных, однако даже при такой стоимости в российских условиях солнечные водонагревательные установки оказываются привлекательными с экономической точки зрения в основном лишь при замещении ими электрических водонагревателей Конкуренция солнечных установок с другими централизованными источниками энергоснабжения (природный газ, тепловые сети), как правило, сегодня менее эффективна8

Актуальным является поиск новых технических решений и технологий изготовления солнечных установок, позволяющих кардинально снизить их стоимость при сохранении высоких эксплуатационных показателей Принципиальным направлением таких разработок является применение в конструкциях СК современных полимерных материалов

Техническая возможность применения современных пластмасс реально возникла лишь в последние годы в связи с появлением на рынке новых видов относительно недорогих пластмасс с широким спектром физико-химических и механических свойств отвечающих противоречивым требованиям, предъявляемым к различным элементам солнечного коллектора

8 Часто движущими мотивами для использования солнечных установок оказываются не только и не столько экономические соображения, сколько экологические причины, престижность использования новых технологий и др

Аналитические и конструкторско-технологические исследования, выполненные в ОИВТ РАН [46,47,58,64,72,73] показали, что среди наиболее перспективных для использования в конструкциях солнечных коллекторов и водонагревательных установок полимерных материалов с учетом технологических, экономических и экологических показателей являются для прозрачной теплоизоляции - сотовые поликарбонаты с УФ-защитой, прозрачные сотовые полипропилены и полиамидные пленки Для поглощающей панели - материалы на основе полипропиленов, полиамидов (в том числе армированных) и полиуретанов, а также поликарбонатов

Важно отметить, что помимо выбора полимерного материала для изготовления элементов солнечных водонагревателей необходимо также подобрать адекватный технологический способ изготовления этих элементов из полимерных материалов различных типов

Основное направление разработок новых конструкций СК в ОИВТ РАН было связано с использованием поликарбоната, обладающего рядом существенных достоинств, детально проанализированных в диссертации В частности, выполненные сравнительные экспериментальные исследования спектральных оптических характеристик поликарбоната и стекла привели к следующим выводам

- в видимом диапазоне спектра, где Солнце излучает максимальное количество энергии, поликарбонат обладает высоким коэффициентом пропускания излучения, превышающим 80%, и является практически непрозрачным в длинноволновой части спектра, создавая также как и стекло «парниковый эффект», необходимый для обеспечения высокой эффективности преобразования энергии солнечного излучения в тепло в СК

- важной особенностью современных поликарбонатных материалов является эффективная защита от ультрафиолетового излучения как самого материала светопро-зрачного ограждения, так и находящихся под ним других конструкционных материалов, что дает им дополнительные преимущества перед стеклом для использования в гелиотехнике

- с учетом физических, механических и других эксплуатационных характеристик, а также с учетом того, что стоимость поликарбоната (5 7 долларов за 1 м2) стала в последнее время в 1,5 2 раза ниже стоимости стекла, он может рассматриваться как перспективный светопрозрачный материал для использования в конструкциях СК

Сотовый поликарбонат, допускающий эксплуатацию в диапазоне температур от - 40°С до + 140°С и химически стойкий в прямом контакте с различными теплоносителями, в том числе с водой и различными антифризами, является вполне приемлемым материалом и для изготовления тепловоспринимающих панелей СК для солнечных водонагревательных установок

В качестве принципиальных недостатков таких панелей можно выделить (а) низкую теплопроводность пластика по сравнению с металлом и (б) невысокое допустимое рабочее давление теплоносителя внутри каналов Однако эти недостатки не являются критическими

Действительно, из-за низкой теплопроводности тепловоспринимающая панель, изготовленная из пластика, в отличие от металлической, не может быть листотрубной Тепловой контакт теплоносителя с тепловоспринимающей стенкой должен быть обеспечен по всей поверхности панели Это приводит к повышенному объему теплоносителя, заполняющего каналы панели, в расчете на единицу поверхности панели Так если в металлических панелях типичное значение удельной емкости каналов составляет порядка

1 л/м2, то в сотовых пластиковых панелях этот показатель может достигать 10 л/м2 С точки зрения эффективности преобразования энергии солнечного излучения увеличение объема каналов несколько снижает эту эффективность из-за увеличения тепловой инерции Однако в случае применения таких СК в относительно низкотемпературных установках теплоснабжения этот недостаток не является неприемлемым как показывают оценки снижение эффективности преобразования солнечной энергии по отношению к СК с металлическими панелями не превышает 3 5% Более того, повышенная тепловая инерционность является защитным фактором от перегрева панели солнечным излучением при прекращении циркуляции теплоносителя через панель в течение дня

Другое часто высказываемое сомнение в возможности использования пластиковой панели касается эффективности передачи тепла к теплоносителю через низкотеплопроводную стенку Это сомнение несостоятельно, поскольку в солнечных коллекторах плотности тепловых потоков весьма малы и не превышают 1 кВт/м2 (в среднем 400 600 Вт/м2) При передаче такого потока через стенку из пластика толщиной 1 мм температурный напор не превышает

2 3 °С, что меньше, чем перепад температур на длине ребра традиционных металлических панелей Реально толщина стенки, например, сотовых поликарбонатных панелей составляет 0,3 0,5 мм, что обусловливает еще меньшие температурные напоры

Принципиальными являются ограничения по рабочему давлению теплоносителя внутри пластиковой панели В связи с отсутствием данных по этому вопросу нами были проведены специальные эксперименты на стенде для гидравлических испытаний, показавшие, в частности, что панель из сотового поликарбоната толщиной 10 мм при температурах воды вплоть до 80°С выдерживает избыточное рабочее давление до 2 ати Это исключает прямое подключение таких пластиковых СК к водопроводу, рабочее давление которого может достигать 6 7 ати Вместе с тем они могут использоваться в солнечных во-донагревательных установках с разгруженным от давления баком-аккумулятором, а также в двухконтурных системах теплоснабжения, развязанных по давлению теплообменником

Проведенные эксперименты в зимнее время по неоднократному «размораживанию» поликарбонатных панелей полностью заполненных водой не выявили каких-либо механических повреждений панелей и нарушения их герметичности, что дает основания полагать возможность круглогодичной их эксплуатации в составе солнечных установок без использования в качестве теплоносителя незамерзающих жидкостей

В диссертации представлена краткая информация о созданном в ОИВТ РАН специализированном стенде, теплогидравлическая схема которого защищена патентом [89], предназначенном для натурных теплотехнических испытаний СК и солнеч-

ных водонагревательных установок 0 соответствии с отечественными и международными стандартами, а также результаты испытаний созданных опытных конструкций СК, изготовленных полностью из полимерных материалов (рис. 11).

В разработанных в ОИВТ РАН образцах СК в качестве светопрозрачного покрытия испопьзоаан сотовый поликарбонат толщиной 4 мм. а теппопоглащающая панепь выполнена из сотового поликарбоната толщиной 10 мм, окрашенного в чёрный цвет. Разработаны две модификации СК. имеющие унифицированную конструкцию, и отличающиеся лишь размерами теплопоглощзющей панели; для модификации С1 ее площадь составляет 1 м2 (аналог СК КМЗ), для С2 - 2 м2 (аналог СК «Сокол»). Технология изготовления позволяет создавать СК и существенно бопьшей единичной площади. Коллекторы изготовлены полностью из полимерных материалов без металлических элементов. В конструкции использовались следующие полимерные материалы: поликарбонат, ПВХ, вспененный полиэтилен, блок-сополимер полилропипена, полистирол. Конструкция кол-пектора - нераэборная. Конструкции СК защищены патентами [87,88].

Рис. 11. Экспериментальные образцы солнечных коллекторов и теп ловоспри н имаще й панели из теплоетонких пластмасс.

Тепловые испытания СК показали, что оптический кпд пластикового С К Р'(та) = 0,67. а коэффициент тепловых потерь при одинаковой с СК «Сокол» тыльной теплоизоляции РЦ = 2,8 Вт/мгК. Несмотря на несколько более низкий оптический кпд пластиковый коллектор за счет более низкого коэффициента потерь, обуспов-пенного, прежде всего, испопьзованием 4 мм сотового попикар-боната вместо стек-па, обеспечивает более высокую эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло по сравнению с СК «Сокол» уже при нагреве теппоноситепя выше температуры окружающей среды на 40°С. Стоимость пластикового СК, оцененная как удвоенная стоимость комплектующих материалов, оказывается более чем в 2 раза, а удельный вес более чем в 3 раза ниже, чем у традиционных СК,

Следует отметить, что описанные разработки находятся пока на поисковой стадии. Несмотря на то, что принципиапьная возможность созданий полностью ппастико-вых СК и СБУ доказана и наглядно продемонстрирована, для коммерциализации разработок необходимо решить еще ряд конструкторско- технологических, дизайнерских и организационных проблем.

В разделе «Экс пери ментальные объекты с системами солнечного теплоснабжения» главы 2 представлены примеры и результаты внедрения ряда солнечных установок, в

том числе обобщенная информация о разработке, создании и длительной эксплуатации экспериментального солнечного дома в Армении, а также о нескольких солнечных установках, созданных в последние годы на объектах Специальной астрофизической обсерватории РАН, Несмотря на то. что разработка сопнечного дома в Армении была осуществлена 25 лет тому назад, она до настоящего времени, представляет значительный практический и научно-методический интерес. Солнечный дом в Армении был одним из первых в СССР домов, оснащенных системой солнечного отопления и горячего водоснабжения, и до настоящего времени он остается одним из немногих созданных на территории бывшего СССР объектов, на котором проведены обстоятельные экспериментальные исследования и по которому получены объективные данные об эффективности использования солнечной энергии для целей теплоснабжения.

Солнечный дом (рис. 12) был построен в пос Мерцаван Арм. ССР в 1981 г В течение пяти лет (1982...1987) проводился непрерывный мониторинг работы системы солнечного теплоснабжения. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в работах [2,5,7.8,10,11] и составили основу кандидатской диссертации М.С Калашяна9. подготовленной под научным руководством автора. Разработка отличалась следующими новыми техническими решениями:

- конструкция СК была совмещена с конструкцией южного ската остекленной крыши и обеспечивала удобство монтажа и обслуживания коллекторов, снижение затрат на изготовление и снижение теплопотерь,

- была реализована схема полной автоматизации системы солнечного теплоснабжения.

- система отопления дома была реализована на естественной циркуляции теплоносителя с пониженной температурой, что обеспечило повышение эффективности солнечной установки,

Рис. 12. Солнечный дом й Армении . при проектировании и строительстве до-

ма были реализованы мероприятия по снижению его тепловых потерь и созданию условий по эффективному использованию пассивного солнечного обогрева.

В результате 6-ти летнего мониторинга отработаны методики натурных исследований показателей работы системы солнечного теплоснабжения и ее основных элемен-тое.на основе которых были определены параметры теплотехнического совершенства системы СК и установлено, что в выбранных климатических условиях солнечная установка обеспечивает 100% покрытие потребностей на горячее водоснабжение во внеото-пительный период и 34.. .44% покрытие тепловой нагрузки дома в отопительный период.

1 Капашян М.С. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка и исследование установки солнечного теплоснабжения индивидуального жилого дома в условиях Армении» Москва. ИВТАН, 1989.

в том числе непосредственно за счет работы солнечной установки 25 34% (остальное -пассивный солнечный обогрев) В среднем за 6-ти летний период теплопотребности дома обеспечивались за счет солнечной энергии на 53 64% Среднегодовой кпд солнечной установки составил 20 22%

Важным результатом исследований стала разработка методики предсказания основных показателей системы солнечного теплоснабжения разработанного солнечного дома в климатических условиях отличных от условий места проведения эксперимента, основанная на полученных в работе обобщенных зависимостях полезно используемого солнечного тепла от поступления солнечной энергии на поверхность солнечных коллекторов (input - output диаграммы)

Вторая часть раздела относится к недавним разработкам 2003-2006 гг, выполненным в рамках программы реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН (CAO), автономно расположенных в горах Западного Кавказа Основной целью разработок было экономически эффективное замещение существующих систем электрического обогрева установками солнечного теплоснабжения

С участием специалистов «Ростовтеплоэлектропроект» для объектов CAO разработаны 8 солнечных установок различного назначения, кратко описанных в диссертации Среди них гелиоустановка подогрева воды в бассейне, солнечные установки сезонного и круглогодичного горячего водоснабжения гостиниц и производственных мастерских, установка пассивного солнечного обогрева («стена Тромба») пункта автоматического управления антеннами радиотелескопа, установка воздушного обогрева резервного дизель-генератора Три из этих установок введены в опытную эксплуатацию, на 4-х завершаются монтажные работы В диссертации приведена краткая информация о результатах натурных испытаний действующих солнечных установок

Анализ технико-экономических показателей разработанных установок показал их экономическую эффективность (при стоимости замещаемой электроэнергии около 2,5 руб /кВтч срок окупаемости солнечных установок не превышает 6 лет)

В третьей главе «СОЛНЕЧНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНЫХ АДСОРБЕНТОВ ВОДЫ» представлены результаты расчетно-теоретических исследований солнечной адсорбционной установки периодического действия, опубликованных в работах [70,75,76,79,85,86] Солнечное охлаждение является востребованным со стороны многих автономных потребителей, нуждающихся в условиях жаркого климата в охлаждении медицинских препаратов, питьевой воды, напитков, кондиционировании воздуха и т п Среди широкого спектра возможных технологий солнечного охлаждения основными конкурирующими технологиями при создании холодильных установок небольшой мощности (до нескольких сот Вт) являются фотоэлектрические установки, обеспечивающие электропитание традиционных парокомпрессионных холодильников, и установки на основе термохимических циклов В работе рассматривается солнечный холодильник (рис 13), включающий солнечный тепловой коллектор, совмещенный с адсорбентом воды, теплообменник-конденсатор, обеспечивающий сброс тепла из цикла в про-

цессе регенерации адсорбента в окружающую среду, и испаритель, заполненный водой и размещенный в холодильной камере холодильника

Охлаждение холодильной камеры осуществляется преимущественно в ночное время за счет испарения воды из испарителя Пар поступает в адсорбер, охлаждаемый наружным воздухом, где адсорбируется В дневное время происходит регенерация адсорбента благодаря солнечному нагреву адсорбера пары воды десорбируются, поступают в конденсатор, где тепло конденсации сбрасывается в окружающую среду, а конденсат сливается в испаритель Основными интегральными энергетическими показателями холодильной установки являются средняя за некоторый период времени (сутки, месяц, сезон, год) удельная холодильная мощность вСР в расчете на 1 м2 солнечного коллектора (Вт/м2) и средний коэффициент преобразования энергии ЭТЯ - отношение количества тепла извлеченного из холодильной камеры к суммарному поступлению солнечной энергии на апертурную площадь солнечного коллектора-адсорбера за тот же период времени

анализ чувствительности энергетических

Рис 13 Принципиальная схема солнечного

адсорбционного холодильника показателей установки к изменению ключе-

вых параметров задачи Для достижения этих целей выполнен термодинамический анализ предельно достижимых энергетических показателей адсорбционных холодильных установок, а также разработана упрощенная математическая модель установки и с использованием упомянутого ранее программного продукта ТРМЗУБ проведено динамическое моделирование ее работы в реальных климатических условиях различных регионов мира (Россия, Италия, Германия, Юго-Восточная Азия и Африка) с учетом реальных характеристик различных адсорбентов воды На основе термодинамического анализа показано

1 Ключевыми факторами, определяющими эффективность работы адсорбционной холодильной установки в заданных условиях (при фиксированной температуре охлаждения Тз и температуре окружающей среды Тг) являются максимально располагаемая удельная масса (на 1 кг сухого сорбента) обмениваемого в цикле сорба-та Ди'о и характерный масштаб АТ0 перегрева сорбента выше начальной температуры десорбции Эффективность установки возрастает с ростом Дн'0 и уменьшением

Испарит епь

Пш.фшсщГ

Конденсатор

Целями расчетно-теоретических исследований являются оценка достижимых удельных энергетических показателей в различных климатических условиях эксплуатации установки и для различных адсорбентов воды, в том числе для новых селективных сорбентов, разработанных Институтом Катализа СО РАН, выявление критических параметров, определяющих эффективность преобразования энергии, и

ДТо Эти масштабные факторы при заданных Тг и Т3 определяются лишь свойствами адсорбента и поэтому могут служить критериями при оптимизации его выбора

2 Существует оптимальная величина перегрева адсорбента Д"П выше начальной температуры десорбции в режиме регенерации Максимальное значение внутреннего холодильного коэффициента преобразования энергии СОР™" достигается при ДТ1 <(1,5 2,0)ДТо В случае солнечной холодильной адсорбционной холодильной установки, в которой регенерация адсорбента осуществляется с помощью солнечного нагревателя, имеющего падающую зависимость кпд от температуры нагрева, оптимальное с точки зрения получения максимального STR значение перегрева должно быть еще ниже

3 Для рассмотренных в работе четырех адсорбентов ДТо = 6 25°С, причем новые селективные адсорбенты воды СВС-1Л, СВС-2Л и СВС-4, разработанные Институтом катализа СО АН характеризуются существенно более низкими значениями ДТо, чем традиционный адсорбент Fuji RD Ди0 у новых адсорбентов больше, чем у Fuji RD, что свидетельствует об их потенциальном преимуществе

4 Оптимальный перегрев рассмотренных адсорбентов выше температуры начала десорбции, равной при характерных температурах окружающей среды 60 80сС, составляет не более 35°С, что соответствует максимальному нагреву адсорбента в процессе регенерации выше температуры окружающей среды не более чем на 70 80°С Такой нагрев достаточно эффективно и с минимальными затратами может быть осуществлен с помощью простейших конструкций солнечных нагревателей плоского типа, без использования концентраторов солнечного излучения или вакуумированных теплоприемников

5 Важным параметром, сильно влияющим на эффективность работы адсорбционной холодильной установки, является теплоемкость адсорбера Создание адсорбера, обеспечивающего достижение максимальных коэффициентов преобразования энергии, требует максимального снижения теплоемкости пассивных конструкционных элементов с тем, чтобы теплоемкость адсорбера в определяющей степени определялась теплоемкостью лишь самого адсорбента В этом случае как показали оценки, максимально достижимый внутренний холодильный коэффициент СОРх для лучшего из рассмотренных в работе адсорбентов СВС-1Л может быть равен около 0,8 при предельно термодинамически допустимом значении около 0,9 [86]

6 Выполненный термодинамический анализ не учитывал ряда важных факторов, которые могут привести к дополнительному снижению эффективности работы адсорбционной холодильной установки, в том числе связанных с инерционностью процессов тепломассопереноса в адсорбере, нестационарностью температуры наружного воздуха и поступления солнечной энергии Предполагалось, что адсорбер в режиме генерации холода и конденсатор в процессе регенерации адсорента обеспечивают возможность охлаждения до температуры окружающей среды В реальной установке для сброса тепла к наружному воздуху требуется определенный температурный напор, учет которого должен привести к снижению кпд установки С другой стороны, использованное в приведенном выше анализе предположение об одинако-

вости температуры наружного воздуха во время генерации холода и регенерации адсорбента в реальных условиях работы солнечной холодильной установки не в полной мере справедливо обычно ночная (процесс генерации холода) и дневная температура воздуха отличаются друг от друга (в некоторых климатических условиях на 10°С и больше), что может положительно повлиять на работу установки Влияние этих и других факторов на эффективность адсорбционной холодильной установки должно стать предметом дальнейших исследований

При разработке численной модели солнечной адсорбционной холодильной установки предполагалось, что солнечный коллектор-адсорбер представляет собой герметичный металлический плоский контейнер, расположенный под прозрачным ограждением и теплоизолированный с тыльной и боковых сторон, внутри которого находится специальная засыпка из гранул адсорбента Фронтальная поверхность контейнера имеет оптическое селективное покрытие, обеспечивающее снижение тепловых потерь через стекло

Одноэлементное уравнение теплового баланса имеет вид

Ас 01 Ас д!

где с„(л, с„ - теплоемкости адсорбента и воды, - масса адсорбента в расчете на 1 м2 СК, и' - среднее удельное влагосодержание, (та) - оптический кпд СК, Ас - апер-турная площадь СК, 5- поток солнечной радиации, \]ь - коэффициент тепловых потерь, - средняя температура адсорбента, Та— температура наружного воздуха, - теплота десорбции воды, зависящая от влагосодержания Параметр Р введен для использования в уравнении средней температуры адсорбента вместо традиционного использования в уравнениях солнечного коллектора температуры поглощающей солнечное излучение панели Отличие этого параметра от 1 характеризует качество теплообмена между теплопоглощающей панелью и массой адсорбента

Кинетика сорбции/десорбции и диффузии водяных паров описывается упрощенным уравнением

¿я

где к - константа, характеризующая интенсивность процесса, и>0 - равновесное влагосодержание сорбента

Упомянутый коэффициент преобразования солнечной энергии = £>,/£>> или 5Т/? = 7/ц СОР, где - тепло, отбираемое из холодильной камеры, — поступление солнечной энергии на поверхность коллектора за рассматриваемый период, г)зс - кпд СК, СОР - внутренний коэффициент преобразования поглощенной адсорбером солнечной энергии в энергию холода

Температура испарителя в настоящей постановке задачи рассматривалась как параметр (Т3 = 2 10°С) В качестве адсорбентов рассматривались следующие мате-

риалы со своими теплофизическими свойствами, экспериментально изученными в Институте Катализа СО РАН селективные сорбенты воды на основе солей СаСЬ (СВС-1Л), LiBr (СВС-2Л) и Са(ЫОз)г, интегрированных в мезопоры силикагеля, и обычный силикагель типа Fuji RD

Пример полученных результатов иллюстрирует рис 14 наличие оптимального значения удельной массы адсорбента в расчете на 1м2 приемной поверхности СК, при котором достигается максимальная удельная холодильная мощность установки (около 75 Вт/м2 при 20 кг/м2 для адсорбента СВС-1Л), возможность достижения значений коэффициента преобразования энергии солнечного излучения в энергию холода установки (STR) на уровне 25 30% и внутреннего СОР на уровне 0,6 0,7 Эти показатели превышают аналогичные показатели фотоэлектрических холодильников и ряда известных абсорбционных солнечных холодильных установок

Выполнен анализ чувствительности энергетических характеристик установки к изменению ключевых параметров задачи при их отклонении от выбранного базового варианта Показано, что одним из критических параметров является диффузионный коэффициент к Его снижение меньше единицы, что соответствует характерному времени диффузионных процессов внутри адсорбента более 1 часа, приводит к резкому снижению энергетических характеристик

М /А , kg/m

ads С -1

Рис 14 Зависимости ЭСР, ЭТИ и СОР от удельной массы адсорбента (Мессина (Италия) лето)

Данный результат определяет жесткие требования к внутренней конструкции адсорбера (размер гранул, их пространственное размещение и т п) Получены также обобщенные показатели чувствительности энергетических параметров к изменению температуры испарителя, к изменению параметра Р, характеризующего неравномерность температуры адсорбента по толщине и к коэффициенту тепловых потерь солнечного коллектора-адсорбера в режиме регенерации адсорбента

В диссертации детально обсуждаются полученные результаты моделирования, делаются практические выводы и формулируются задачи дальнейших расчет-но-теоретических и экспериментальных исследований

В четвертой главе «АВТОНОМНЫЕ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ» рассмотрены принципы построения автономных энергоустановок (АЭУ), работающих на возобновляемых источниках энергии Сформулированы задачи математического моделирования и расчетных исследований для обоснования оптимальной кон-

фигурации АЭУ в зависимости от климатических условий эксплуатации и особенностей потребителя. Приведены результаты имитационных расчетов солнечно-ветровых АЭУ для климатических условий ряда районов России. Рассмотрена возможность использования в составе АЭУ водородных накопителей на основе системы «электролизер воды — есдорад-кишородмый топливный зпементк, представляющих собой долгосрочны,'Я аккумулятор энергии Основные результаты опубликованы в работах, э также доложены на ряде международных конференций [59,65-69,71,74,80].

Большинство автономных потребителей нуждаются в небольших мощностях (от нескольких сот ватт до нескольких десятков киловатт), причем для многих из них стоимость энергоустановки не является критической: наиболее важными оказываются критерии надежности, длительного ресурса, низких текущих эксплуатационных затрат. Энергоустановки на базе бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания, применяемые сегодня, не отвечают этим требованиям, прежде всего, из-за необходимости периодического завоза топлива и дорогого обслуживания Они обладают также серьезными экологическими недостатками: ииум, вредные выбросы продуктов сгорания топлива, загрязнение окружающей среды тогш^внымм контейнерами и др.

В последние годы ведутся активные разработки АЭУ. оснащенных наряду с дизель-генератором и аккумуляторной батареей ветроустановками, фотоэлектрическими преобразователями, или их комбинацией (рис. 15а). Такое схемное решение позволяет дополнительно сократить расход топлива10"11. Принципиально новым направлением разработок является создание полностью автономных энергоустановок, работающих только на базе фотоэлектрических и ветровых установок или их комбинации (без использования органического топлива) (рис. 15Ь).

Рис. 15а. Гибридная АЭУ с ВИЗ Рис. 15Ь. АЭУ на ВИЗ С ВН

Солнечная энергия, так же как и энергия ветра, являются повсеместно доступными. Однако их непостоянство и сильная зависимость от времени года, времени суток и погодных условий сильно осложняют проблему создания полностью автономных энергосистем, обеспечивающих гарантированное энергоснабжение потребителя. Задача осложняется

10 Nayar CV et al. Novel wind/diesel/battery hybrid energy system. Solar Energy 1993;51(1}:65-78.

" M. Asharra.b,', C.V. Nayara, W.W.L Keerthipal. Optimum operation strategy and economic analysis of a photovoltaic-dies el-battery-mains hybrid uninterruptible power supply. Renewable Energy 22 (2001). PP. 247-254.

также тем, что график потребления энергии потребителем тоже, как правило, является неравномерным В этой связи такие установки требуют использования аккумуляторов электроэнергии, размеры которых и стоимость при мощности установок уже в несколько киловатт могут оказаться чрезмерно большими Это ограничивает возможности наращивания мощности солнечных и ветровых АЭУ До последнего времени предпочтение отдается гибридным энергоустановкам, сочетающим использование ВИЭ и традиционных установок на базе ДВС, что обеспечивает экономию топлива и более высокую надежность энергоснабжения, но привносит ранее описанные принципиальные недостатки (необходимость завоза топлива, выбросы, шум, высокие эксплуатационные издержки)

Одним из путей, позволяющим избавиться от необходимости гибридизации АЭУ, может стать использование водорода как долгосрочного аккумулятора энергии и промежуточного энергоносителя, что создает возможность существенного улучшения эксплуатационных показателей таких установок В установке с водородным накопителем (рис 16) избыток генерируемой электроэнергии направляется на электролиз воды с получением водорода и кислорода Полученные газы накапливаются в ресиверах Хранение водорода и кислорода в отличие от аккумулирования электроэнергии в аккумуляторных батареях может осуществляться практически без потерь и сколь угодно долго При дефиците электроэнергии, вырабатываемой солнечной и/или ветровой установкой, водород и кислород направляются в батарею топливных элементов, производящую недостающее потребителю электричество

Включение в состав АЭУ водородного накопителя позволяет обеспечить более надежное и большее по емкости аккумулирование энергии, чем это возможно с электрохимическими аккумуляторами Вместе с тем, как показывает анализ, полностью отказаться от использования аккумуляторных батарей не представляется возможным Причина состоит в том, что для обеспечения большого ресурса работы имеющихся на сегодня топливных элементов и электролизеров и соответственно энергоустановки в целом необходимо стабилизировать режимы потребления/отбора мощности, их эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена В этой связи целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются различные вторичные источники электрической энергии, одни из которых, ввиду их высокой энергоемкости (топливные элементы), можно рассматривать как источники энергии, а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) - как источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления мощности нафузкой Согласовать режимы работы источников энергии и мощности, входящих в состав автономной энергоустановки, можно с помо-

щью современных высокоэффективных электронных преобразователей и контроллеров Таким образом, в комбинированных энергоустановках с помощью накопителя водорода решается задача относительно долгосрочного аккумулирования энергии, а с помощью аккумуляторной батареи и/или конденсаторного накопителя - задача краткосрочного аккумулирования и отслеживания переменного графика нагрузки При этом, в отличие от установок без водородного накопителя, емкость аккумуляторной батареи может быть существенно уменьшена, а пиковая мощность АЭУ увеличена при одновременном обеспечении ее высокой эксплуатационной надежности

Ключевой проблемой разработки и создания полностью автономной энергоустановки на возобновляемых источниках энергии является оптимизация конфигурации и состава оборудования, которые обеспечивают гарантированное надежное энергоснабжение заданного потребителя при минимальных затратах Решение этой проблемы должно базироваться на учете реальных климатических данных места ее предполагаемой эксплуатации, особенностей графика нагрузки и режимных параметров, входящих в состав установки компонентов Принципиально важной является разработка системы автоматического управления, обеспечивающей рациональную логику работы установки, поскольку сочетание в установке первичных и вторичных источников энергии и различных аккумуляторов энергии требует оптимизации алгоритма управления с обеспечением максимальной интегральной эффективности преобразования энергии и ресурса основных узлов установки Ясно, что поиск оптимальных технических решений при построении эффективных АЭУ должен базироваться как на экспериментальных исследованиях, так и на построении адекватных математических моделей

В диссертации дано краткое описание разрабатываемой компьютерной имитационной модели комбинированной АЭУ реализованной под ТРМЭУЭ Модель создается с целью анализа принципиальной возможности создания полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок с учетом реальных климатических условий ее эксплуатации, оптимизации состава и определения рациональных режимов работы основных компонентов при передаче мощности от первичных источников в нагрузку Модель предусматривает также моделирование работы различных систем аккумулирования энергии входящих в состав установки, включая процессы накопления водорода для долгосрочного хранения и его использования при длительной паузе генерирования энергии первичными источниками Реальные климатические условия, как указывалось выше, моделируются на основе единого подхода с помощью ТМУ (годовые часовые последовательности)

Для иллюстрации возможностей практического использования разрабатываемой модели в диссертации приведены результаты предварительного сравнительного анализа возможности создания полностью автономных энергоустановок на базе использования фотоэлектрических и/или ветровых установок в различных климатических условиях

Рассмотрены следующие простейшие варианты конфигурации АЭУ В качестве первичных источников энергии выбраны фотоэлектрическая батарея, ветроустановка, или их комбинация В качестве системы аккумулирования и вторичных источников

энергии используется электрохимическая батарея и комбинация с водородным накопителем Для упрощения анализа рассмотрена возможность покрытия с помощью АЭУ постоянной в течение года нагрузки мощностью 1 кВт

Представленные ниже в качестве примера результаты относятся к АЭУ функционирующими в климатических условиях Западного Кавказа (метеостанция Берма-мыт) и Сибири (Магадан) со следующим исходными данными

-Фотопреобразователи КПД - 15%, удельная стоимость - 5 долл США за пиковый Вт (при облученности 1000 Вт/м2), угол наклона к горизонту равен широте местности, ориентация - южная, затенение отсутствует

- Ветроустановка удельная стоимость - 2500 долл США за кВт (при скорости ветра 9 м/с), минимальная рабочая скорость ветра - 3 м/с, в диапазоне скоростей ветра от 3 до 9 м/с кубичная зависимость генерируемой мощности от скорости ветра, при скорости ветра более 9 м/с генерируемая мощность постоянна

- Электрохимический аккумулятор КПД - 95%, саморазряд - 0,1% в час, удельная стоимость - 500 долл США за 1 кВтч емкости

- Предполагалось, что водородный накопитель суммарной стоимостью 2500 долл США (перспектива) включает в себя электролизер с удельной производительностью по водороду - 0,28 м3/кВтч и максимальной производительностью до 1 нм3 водорода в час, батарею топливных элементов с удельным расходом водорода 0,5 м3/кВтч, максимальной мощностью до 1 кВт и коэффициентом собственных нужд в ждущем режиме 1 %, ресиверы водорода и кислорода (без утечек газов) соответственно емкостью 15 и 7,5 нм3 КПД согласующих преобразователей, входящих в состав водородного накопителя - 95% Оптимизационных расчетов по обоснованию его оптимальной конфигурации (мощности электролизера, батареи топливных элементов и объемов ресиверов) на данном этапе не проводилось Водородный накопитель описанного состава включался в рассматриваемые варианты автономных энергоустановок как единое целое

На рис 17 представлены зависимости полной стоимости энергоустановки для двух рассмотренных регионов от годовой доли (5) покрытия нагрузки (1 кВт) и следующих 4 составов энергоустановок

• Фотопреобразователь (ФЭП) + аккумуляторная батарея (АБ),

• ветроустановка (ВЭУ)+ АБ, ФЭП+ ВЭУ + АБ,

• ФЭП+ ВЭУ + АБ + водородный накопитель (ВН)

Представленные кривые соответствуют оптимальной комбинации мощности первичного источника и емкости аккумуляторной батареи, при которых стоимость установки для заданной доли покрытия годовой нагрузки минимальна

Видно, что с ростом годовой доли покрытия нагрузки стоимость установок растет, что обусловлено необходимостью увеличения как номинальной мощности первичного преобразователя, так и емкости системы аккумулирования энергии, причем

темп роста стоимости возрастает а районе высоких значений доли покрытия нагрузки (> 0,9). Точки пересечения кривых с правой вертикальной осью соответствуют 100% покрытию годовой нагрузки, т.е. такие установки являются полностью автономными, и в течение года не требуется использования каких либо дополнительных источников энергии для покрытия нагрузки.

Т

МЮ00-

-•-ШЭП+АБ - ВЭУ-АБ -^-ФЭП + ВЗУ-АБ ФОЛ * ВЭУ +££■* ВН

1 50000 I 40000-

■ эоооо : 20000'

1СШ1

- ВЭ^ + Аб -1-ФЭП + ВЭУ + АБ ЮП » БЗУ*ЛЬ+ВН 1

г •

р

✓ ✓

лг

--—

и о.б <й а» м

, )рля покрьгтз гтюоесй нагрузки, Л

0.4

а)

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Доля покрытия годовой нагрузки, л

б)

Рис. 17. Зависимость стоимости автономной энергоустановки от доли покрытия годовой нагрузки, а - Берма мыт. б - Магадан

На рис. 1В приведены результаты расчета стоимости и оптимальных параметров

полностью автономных энергоустановок для рассмотренных климатических условий.

110000

и

Ё -

; г.

Ь

й

80 МО

¿0000

40000

В 29000

1*1 £ 113 Ш О 1

ш ш 1 Ш я». 1

ФЭ№БЭЗФЭП+ВЭУ1ВН

Рис. 18. Стоимость и параметры полностью АЭУ, обеспечивающих 100% покрытие годовой нагрузки, э - Бермамыт б - Магадан В варианте а) расположения установки е районе Западного Кавказа АЭУ на базе фотоэлектрического преобразователя оказывается почти в 2 раза более экономичной, чем на базе ветровой установки. Для гарантированного покрытия непрерывной нагрузки 1 кВт требуется установить ФЭП площадью р около 40 мг, что при КПД 15% соответст-

вует пиковой мощности около 6 кВт При этом АБ должна иметь емкость V около 50 кВтч Полностью автономная энергоустановка на базе ВЭУ должна иметь номинальную мощность (при скорости ветра 9 м/с) около 30 кВт и АБ емкостью около 40 кВтч

Существенное улучшение технико-экономических показателей полностью АЭУ имеет место при комбинированном использовании ФЭП и ВЭУ В такой комбинированной схеме мощность ФЭП должна быть всего около 1,5 кВт = 10 м2), а ВЭУ - 4 кВт Емкость АБ может быть уменьшена до 25 кВтч Для комбинированной энергоустановки, включающей в себя ФЭП, ВЭУ, АБ и ВН потребная емкость АБ снижается до 15 кВтч

Для климатических условий Магадана создать полностью автономную энергоустановку разумных размеров на базе использования только ФЭП не представляется возможным, что обусловлено невысоким поступлением солнечной энергии в зимнее время Применение только ВЭУ оказывается более эффективным, чем на Западном Кавказе Наиболее привлекательным и для этих климатических оказывается вариант комбинированной энергоустановки, в состав которой входят и ВЭУ и ФЭП Включение в нее водородного накопителя дополнительно улучшает технико-экономические показатели и снижает потребную емкость АБ до 10 кВтч

Аналогичные оценки в диссертации проведены и для нескольких других географических точек Полученные результаты расчетов носят предварительный характер, однако на их основе можно сделать следующие выводы

1 Применение солнечных и ветровых установок в качестве первичных источников энергии позволяет создать полностью автономные энергоустановки, обеспечивающие в различных климатических условиях гарантированное круглогодичное покрытие электрических нагрузок, по крайней мере, небольших потребителей

2 Наиболее эффективными представляются комбинированные установки, оптимально (в зависимости от климатических условий) сочетающие солнечные и ветровые установки

3 Проблемы, связанные с чрезмерно большими аккумуляторами энергии на базе электрохимических батарей, принципиально могут быть решены за счет применения комбинированных АЭУ с водородными накопителями, обеспечивающими долгосрочное аккумулирование энергии и кардинальное снижение потребной емкости АБ

4 Требуется развитие работ по экспериментальной отработке и дальнейшему совершенствованию математических моделей автономных энергоустановок на возобновляемых источниках энергии, являющихся необходимой основой для обоснования оптимальных их конфигураций с учетом существенно различных реальных климатических условий эксплуатации и характеристик потребителей

Для экспериментальной отработки технических решений по созданию автономных солнечно-ветровых энергоустановок в ОИВТ РАН под руководством автора в рамках контракта с ОАО «ГМК «Норильский никель» и госконтракта с Роснаукой выполнен комплекс проектно-конструкторских разработок, в том числе

А) комплексного стенда для экспериментальных исследований основных компонентов автономных энергоустановок с возобновляемыми первичными источниками энергии и водородными накопителями и

Б) автономной солнечно-ветровой энергоустановки для теплоснабжения ряда помещений и электропитания слаботочных систем Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН в горах Западного Кавказа

В диссертации приведено краткое описание комплексного стенда, укрупненная схема которого изображена на рис 19, а также автономной солнечно-ветровой установки, принципиальная схема которой представлена на рис 20, а фотографии основных компонентов, смонтированных на объекте - на рис 21

Реальные первичные источники энергии (ПИЭ)

Фотоэлектрические преобразователи

Ветроустановки

Другие

Имитатор ПИЭ

| СП

Система управления

Имитатор нагрузки

СП

| АБ СК |

Электро лизер

—¡А

Ресиверы HÀ|02

СПЕ ;тэ |

Батарея ТЭ

Реальные потребители энергии

Телекоммуникационная система

Жилой дом

Другие

Системы подготовки воды, утилизации тепла, вспомогательные системы

Рис 19 Структурная схема комплексного стенда для экспериментальных исследований автономных энергоустановок с водородным накопителем

Важной особенностью создаваемого стенда является использование наряду с реальными первичными источниками энергии их электронных имитаторов, что позволяет имитировать работу установки в различных климатических условиях Предполагается также использование электронного имитатора различных электрических нагрузок

Автономная солнечно-ветровая энергоустановка введена в опытную эксплуатацию для тепло- и электроснабжения объектов Большого оптического телескопа CAO РАН, расположенного в горах на высоте 2100 м, в сентябре 2006 г Вырабатываемая ветровой установкой и фотоэлектрическими преобразователями электроэнергия в первую очередь используется для питания циркуляционных насосов системы теплоснабжения на базе плоских солнечных коллекторов и системы автоматического управления установкой, обеспечивая независимое (без использования внешней электрической сети) ее функционирование Избытки вырабатываемой электроэнергии аккумулируются в электрохимических аккумуляторах емкостью 10 кВтч с возможностью расширения до 50 кВтч, обеспечивая необходимый резерв для электропитания информационного комплекса, системы связи и оповещения, систем аварийного освещения и охранной сигнализации

СИСТЕМА ЭЛЕktPOCHAБЖЁНЙЯ

с истê ma солнёч ного те пл ос hà бже нйя

АСУ ТП > СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА САУССТ

БЛОК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И

\1УЛИР-ОВАНИЯ:ЭЛ.ШРОШ

Рис, 20. Состав системы автономного энергоснабжения БТА

Пол« солнечных коллекторов

Фотоэлектрически« преобразователи производства ЗАО «Солнечный ветер», г, Краснодар

Ветроустамовк» N = 2.5 кВт. производитель - НПГ «Саинмет», г. Дубна

Рис, 21. Фотографии некоторых компонентов солнечно-ветровой АЭУ в CAO РАН

Щит системы автоматического упраи

ления

В пятой главе «СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ГАЗОТУРБИННЫМИ УСТАНОВКАМИ» рассматриваются схемы солнечных электростанций башенного типа (СЭС), в которых за счет реализации (с помощью поля гелиостатов) высоких коэффициентов концентрации солнечного излучения возможно получение высоких температур теплоносителя (1000°С и выше) и тем самым применение высокотемпературных термодинамических циклов с использованием современных газовых турбин.

Расчетно-теоретические исследования по этому направлению выполнялись в рамках международного сотрудничества по программе МЭА 5о!агРАСЕЗ (1991-1997

гг), а также в рамках проекта 6-ой рамочной программы ЕС ЕСОЭТАК (2003 2005 гг ) Основные результаты опубликованы в работах [22-26, 61-63]

Существующие опытно-демонстрационные СЭС, построенные в разных странах, сегодня базируются на паровом цикле Ренкина с максимальной температурой цикла не выше 550°С и тем самым не в полной мере используют термодинамические возможности повышения эффективности преобразования энергии

Газотурбинные электростанции в отличие от паротурбинных не нуждаются в конденсаторе и в охлаждающей воде и представляются более привлекательными для использования в безводных пустынных районах с максимальным поступлением солнечной радиации Газотурбинные установки используют в качестве рабочего тела воздух и в отличие от паротурбинных не включают в себя системы водоподготовки

В диссертации отмечается, что особый интерес для солнечной энергетики представляет регенеративный цикл Брайтона, для которого оптимальная степень сжатия воздуха в компрессоре составляет 3 5, в то время как в паровых турбинах рабочее давление достигает 100 бар и выше В результате, паротурбинное оборудование имеет высокую инерционность и проблемы с обеспечением быстрого запуска и останова, характерные для СЭС, работающих в условиях нестабильности потока солнечной радиации

Важным преимуществом газотурбинных СЭС является также возможность их относительно простой гибридизации - создания солнечно-топливных энергоблоков Органическое топливо (природный газ, жидкое топливо) может инжектироваться непосредственно в воздушный поток перед турбиной без использования какого-либо дополнительного теплообменного оборудования

В качестве недостатка газотурбинных электростанций часто называется относительно низкий достигнутый кпд около 30%, в то время как для лучших паротурбинных установок он достигает около 40% Однако это верно лишь в случае использования обычного цикла Брайтона Регенеративный цикл позволяет существенно повысить кпд даже при относительно невысокой температуре воздуха на входе в турбину

Другим недостатком считается малая величина удельной работы в расчете на 1 кг рабочего тела, особенно в случае использования регенеративного цикла с малым коэффициентом сжатия воздуха (для водяного пара на 1 кг/с расхода возможно получение до 1МВт электрической мощности, в регенеративном цикле Брайтона для выработки той же мощности требуется расход воздуха 6-7 кг/с) Однако этот существенный недостаток может быть преодолен за счет использования современных высокооборотных (до 24000 об /мин ) компрессоров, газовых турбин и генераторов, сегодня все более широко используемых в авиационной и космической технике

Вышеизложенное является веским основанием для более детального изучения возможностей разработки эффективных схем СЭС с газотурбинными установками

В диссертации проведен термодинамический анализ регенеративного цикла Брайтона применительно к его использованию как в только солнечных, так и в гибридных солнечно-топливных электростанциях, включая рассмотрение изменения энерге-

тических характеристик в переменных режимах и в процессе пуска Показано, что в гибридном варианте может быть достигнута высокая эффективность использования топлива и относительно просто решаются проблемы запуска установки в утренние часы

Далее в диссертации проводится сравнительный анализ трех перспективных с°м гибридных солнечно-топливных электростанций с газовыми турбинами, использующие

- регенеративный цикл Брайтона (рис 22) В этой схеме тепло выхлопных газов, выходящих из турбины, используется для предварительного нагрева в рекуперативном теплообменнике сжатого в компрессоре воздуха перед его поступлением в солнечный ресивер Принципиальной особенностью этого цикла является малое значение коэффициента сжатия воздуха в компрессоре (7ТС=3 5), при котором реализуется максимальный кпд цикла

- обыкновенный цикл Брайтона с инжекцией пара в воздушный поток (рис 23) Для этого цикла характерно высокое оптимальное значение коэффициента сжатия воздуха, тепло выхлопных газов утилизируется в теплообменнике-парогенераторе, водяной пар впрыскивается в поток воздуха перед газовой турбиной

- комбинированный паро-газовый цикл (рис 24), в котором комбинируются циклы Брайтона и Ренкина тепло выходящих из газовой турбины газов используется для генерации пара, направляемого в паровую турбину

Во всех трех случаях солнечная часть электростанции включает в себя поле гелиостатов и башню с герметичным объемным солнечным ресивером, на который концентрируется поток солнечного излучения

Для рассматриваемых схем разработаны математические модели основных компонентов и с использованием упомянутой программы ЛЧЫЭУЗ проведено математическое моделирование работы электростанций как в динамическом режиме с использованием реальных климатических данных различных мест предполагаемой эксплуатации электростанций, так и в квазистационарных режимах с целью сравнения достижимых значений кпд циклов

На рис 25 представлены результаты термодинамического анализа циклов, реализуемых на гибридных солнечных электростанциях Для каждой рассмотренной схемы представлены по 3 зависимости кпд, относящиеся к разным температурам газа на входе в газовую турбину (900, 1100 и 1300°С), от коэффициента сжатия воздуха в компрессоре Очевидно, что с ростом температуры кпд циклов возрастают Однако каждый из рассмотренных циклов имеет свои особенности

Регенеративный цикл Брайтона характеризуется довольно сильной зависимостью кпд от степени сжатия, причем максимальный кпд реализуется при коэффициенте сжатия 3 5 (40% при 900°С и 48% при 1300°С) Схема такой солнечной электростанции представляется достаточно простой, наиболее проблемным ее компонентом является рекуперативный теплообменник, работающий при относительно высоких температурах и характеризующийся относительно большими поверхностями теплообмена

Рис 22 Схема солнечно-топливной электростанции с регенеративным циклом Брайтона

Solar receiver

Рис 24 Схема парогазовой гибридной электростанции

О 04 ifc

to stack ®

Рис 23 Схема цикла Брайтона с впрыском пара (STIG)

Compression ratio т

Рис 25 Сравнение предельных КПД гибридных электростанций в зависимости от степени сжатия воздуха в компрессоре

Схема с циклом Брайтона и инжекцией пара, также как и предыдущая, имеет лишь газовую турбину Вместо рекуперативного теплообменника здесь используется более компактный теплообменник-парогенератор Кпд цикла примерно такой же как и в первой схеме, однако эти значения достигаются при более высоких коэффициентах сжатия воздуха Существенным недостатком схемы представляется потребность в значительном количестве впрыскиваемой воды, который принципиально может быть устранен при обеспечении режима конденсации водяных паров из потока газа выходящего из газовой турбины с их последующим возвращением в цикл

Наибольшими значениями кпд (43 53%) характеризуется комбинированный парогазовый цикл Однако его практическая реализация применительно к солнечным электростанциям осложняется проблемами управления более сложной схемой в переменных режимах и при пуске станции

Выполненный в диссертации анализ различных схем солнечных электростанций с газовыми турбинами является упрощенным Вместе с тем он показал возможность существенного повышения кпд по сравнению с паротурбинными солнечными

электростанциями и отсутствие каких-либо серьезных ограничений для дальнейшей проработки конкретных технических решений базирующихся на современных достижениях газотурбинного машиностроения

В шестой главе «ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ» отмечается, что одним из перспективных путей расширения масштабов использования геотермального тепла для производства электроэнергии является применение бинарных энергоустановок, эффективно работающих при более низких температурах геотермальных флюидов, чем это требуется для пароводяных турбин

Целью расчетно-теоретических исследований являлось проведение сравнительного анализа энергетической эффективности различных схем геотермальных электростанций На основе единого подхода в постановке задачи рассматриваются «традиционные» ГеоЭС, в которых производство электроэнергии осуществляется в результате расширения отсепарированного пара в паровой турбине, бинарные ГеоЭС, в которых тепло геотермального флюида используется для нагрева низкокипяще-го рабочего тела, а также смешанная схема, в которой используются как паровая турбина так и турбина на низкокипящем рабочем теле

Расчетные исследования основных энергетических показателей рассмотренных схем проводятся в зависимости от следующих определяющих эффективность преобразования энергии параметров

- температура, паросодержание и расход геотермального флюида на входе ГеоЭС,

- температура наружного воздуха, определяющая нижнюю температуру термодинамического цикла,

- противодавление на выходе пароводяной турбины Теоретически, в случае равенства противодавления давлению пароводяной смеси на устье скважины реализуется предельный случай, при котором производство электроэнергии осуществляется лишь турбиной на низкокипящем рабочем теле Другой предельный случай соответствует равенству противодавления давлению водяного пара при минимально возможной нижней температуре цикла, определяемой температурой атмосферного воздуха В этом спучае для производства электроэнергии используется в основном пароводяная турбина, обеспечить работу турбины на низкокипящем рабочем теле можно лишь за счет утилизации тепла отсепарированной термапьной жидкости В промежуточных спучаях производство электроэнергии осуществляется одновременно двумя типами турбин,

- вид рабочего тела низкокипящего контура Рассмотрены фреоны К12 и К134а, а также пропан, изобутан, бутан, пентан, изопентан и аммиак, для которых использованы соответствующие уравнения состояния,

- максимальное давление и расход рабочего тела в низкокипящем контуре Целью является нахождение их оптимальной комбинации, обеспечивающей максимальную мощность турбины на низкокипящем рабочем теле при заданных других параметрах

Разработанная модель ГеоЭС предусматривает варианты использования в низ-кокипящем контуре тепла только отсепарированного водяного пара («чистая» схема), а также и тепла отсепарированной термальной жидкости В последнем случае вводятся ограничения на ее предельное охлаждение с целью предотвращения солеотложений в пароперегревателе

Расчетные исследования проведены на примере проектируемого бинарного блока Верхне-Мутновской ГеоЭС, создание которого планируется на базе источника геотермального флюида, имеющего температуру 162°С, паросодержание 0,3 и массовый расход 36,6 кг/с

Основные результаты исследований опубликованы в работах [39,40,44,45,55,56]

Обобщенная схема ГеоЭС представлена на рис 26 Она предусматривает возможность использования теплового потенциала геотермального флюида для производства электроэнергии как с помощью пароводяной турбины III, так и турбины, работающей на низ-кокипящем рабочем теле VII Схема допускает также возможность рассмотрения предельных вариантов работы ГеоЭС лишь с использованием одной из указанных турбин

В общем случае геотермальный флюид из скважины I подается в сепаратор II, из которого водяной пар направляется на пароводяную турбину III Отсепарированная термальная жидкость поступает в теплообменник VI, в котором нагревает низ-кокипящее рабочее тело перед входом в турбину VII, затем дросселируется до давления равного противодавлению пароводяной турбины и направляется в сепаратор IV Полученный пар смешивается с отработанным паром после турбины III, и смесь поступает в теплообменник V, где осуществляет предварительный

нагрев низкокипящего рабочего тела Конденсат на выходе из теплообменника V и отсепарированная в сепараторе IV термальная жидкость выводятся из цикла Низкокипящее рабочее тело циркулирует в замкнутом контуре в результате нагрева рабочего тела в теплообменниках V и VI образуется пар, который поступает в турбину VII и, совершив работу, конденсируется в воздушном теплообменнике VIII, конденсат циркуляционным насосом IX вновь направляется в теплообменник V

I - геотермальная скважина, II, IV- сепараторы, III - пароводяная турбина, V, VI - теплообменники, VII - турбина на нижокипящем рабочем теле, VIII - воздушный теплообменник-конденсатор, IX-насос, Х- смеситель, XI - дроссель

Предельные случаи реализуются при следующих условиях:

А) Если противодавление за пароводяной турбиной устанавливается равным давлению пара в сепараторе II, то выработка электроэнергии осуществляется только с помощью турбины на низкокмпящем рабочем теле;

Б) Если в пароводяной турбине реализуется глубокое расширение пара до давления. соответствующего а тепловой потенциал отсепарированной в сепараторе II термальной жвдмсти для нагрева дазкоюлпящега рабочего тела не используется, то производство электроэнергии осуществляется только с помощью пароводяной турбины.

В случае использования потенциала отсепарированной термальной еоды рассмотренная схема допускает введение ограничения на предельно допустимое охлаждение жидкости в теплообменнике VI с точки зрения предотвращения солеоотло-жений на теллообменных поверхностях.

Моделирование ГеоЭС осуществлялось с помощью программного продукта TRNSYS С использованием кстаидарчных» и специально разработанных модулей элементов расчетной схемы.

Основные результаты расчета мощности комбинированной энергоустановки, относящиеся к характерным условиям эксплуатации проектируемого блока Верхне-Мутновской ГеоЭС. суммированы на рис. 27 в виде зависимости мощности пароводяной турбины и суммарной мощное™ блока от противодавления за пароводяной турбиной.

Т =14S°C

4

□ 1 2 3 4 5 6 7

Противодавление Р„ . бар Рис, 27. Результаты расчета мощности комбинированной ГеоЭС в зависимости от противодавления за пароводяной турбиной

Видно, что по мере повышения противодавления мощность пароводяной турбины снижается и при достижении давления 6,5 бар, равного давлению геотермального

флюида на устье скважины, мощность, вырабатываемая пароводяной турбиной, равна О Набор кривых в верхней части графика соответствует суммарной мощности блока при использовании различных рассмотренных низкокипящих рабочих тел Мощность, вырабатываемая бинарной турбиной, определяется разностью между суммарной мощностью и мощностью пароводяной турбины По мере роста противодавления мощность бинарной турбины растет, достигая максимальной величины на правой границе графика, соответствующей предельному случаю использования в схеме ГеоЭС только бинарной турбины График суммарной мощности блока для большинства рассмотренных рабочих тел имеет слабовыраженный максимум в районе противодавления, равного примерно 1 ата

Полученные результаты сравнения использования различных низкокипящих рабочих тел не позволили сделать однозначный вывод о явном термодинамическом преимуществе того или иного рабочего тела, поскольку полученный разброс не превышает 10-15% от мощности блока В этой ситуации основными критериями выбора рабочего тела, по-видимому, должны быть его эксплуатационные характеристики, соображения безопасности и стоимостные показатели

Приведенные выше результаты расчетов относятся к конкретным фиксированным параметрам используемого геотермального флюида (G=36,6 кг/с, t=162°C, х=0,3) и фиксированной нижней температуре цикла (30°С) Вместе с тем эти режимные параметры могут изменяться в довольно широком диапазоне в зависимости от месторождения и климатических условий места создания станции

С одной стороны, при использовании воздушного конденсатора в бинарной ГеоЭС предельное охлаждение рабочего тела в значительной степени зависит от температуры атмосферного воздуха, которая может значительно изменяться как в течение суток, так и в зависимости от сезона года С другой стороны, геотермальные месторождения отличаются как по температуре, так и по паросодержанию геотермального флюида В процессе эксплуатации геотермальной скважины ее параметры также могут изменяться во времени

В связи с изложенным в диссертации проведен анализ чувствительности полученных результатов расчета мощности ГеоЭС к изменению некоторых режимных параметров

На рис 28 представлены результаты оценки влияния изменения верхней и нижней температуры цикла на мощность энергоустановки

Видно, что при изменении Тт!П на 10 °С от выбранного в предыдущих расчетах Tm,n=30°C относительное изменение мощности блока N/N*, где N' - мощность блока, включающего только турбину на низкокипящем рабочем теле (изобутан), в расчетном режиме (G=36,6 кг/с, Ттах=162 °С, х=0,3, Ттт=30 сС), составляет около 10 % Влияние изменения Ттах на те же 10 °С от 162 °С также составляет около 10 %)

Приведенные результаты оценок являются приближенными Вместе с тем они свидетельствуют о том, что проблема учета влияния изменения режимных параметров как на эксплуатацию конкретной установки, так и при выборе оборудования для освоения нового месторождения, является крайне важной и требует специального изучения

Т =180Т

Рис 28 Влияние изменения верхней и нижней температуры цикла на мощность энергоустановки

На рис 29 представлены результаты анализа влияния паросодержа-ния геотермального флюида на мощность ГеоЭС для 3 случаев рассмотренной ранее схемы ГеоЭС только с паровой турбиной, комбинированная ГеоЭС с противодавлением за пароводяной турбиной 1 ата и ГеоЭС только с турбиной на низкокипящем рабочем теле (изобутан) При расчете параметров ГеоЭС предполагалось, что температура и расход геотермального флюида остаются теми же, что и для Верхнее-Мутновского блока, минимальная температура цикла гт,„=30°С

Изменяется лишь паросодержание пароводяной смеси Видно, что величина паросодержания в исходной пароводяной термальной смеси сильно влияет на расчетную мощность установки Так

применительно к ранее рассмотренному блоку Верхнее-Мутновской ГеоЭС снижение паро-содержания с 0,3 до 0,2 ведет к снижению расчетной мощности блока на 30-40% Высокая чувствительность энергетических показателей ГеоЭС к исходному паросодержанию геотермального флюида свидетельствует о необходимости определения исходных данных для проектирования энергоустановки с достаточной точностью, а также о необходимости изучения влияния возможного изменения паросо-держания на работу энергетического оборудования в процессе его эксплуатации

04 06

Паросодержание

Рис 29 Влияние исходного паросодержания флюида

на мощность ГеоЭС 1 - ГеоЭС только с пароводяной турбиной, 2 - комбинированная ГеоЭС при противодвлении за пароводяной турбиной 1 ama, 3 - ГеоЭС только с турбиной на изобутане

В седьмой главе «ТЕПЛОНАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ» отмечается, что тепловые насосы (ТН) находят все более широкое применение для теплоснабжения зданий во многих странах мира, в том числе странах с климатиче-

скими условиями похожими на российские Суммарная тепловая мощность только так называемых «геотермальных» ТН использующих в качестве источника низкопотенциального тепла тепло грунта и/или подземных грунтовых вод, сегодня превышает 15 ГВт, они установлены более чем на 2 млн домов

В первой части главы рассмотрены общие принципиальные положения, определяющие возможность и эффективность практического применения парокомпрессион-ных ТН в системах теплоснабжения В том числе обращается внимание на необходимость наличия у потребителя дополнительной электрической мощности, достаточной для привода компрессора ТН, зависящей от тепловой нагрузки объекта

Обсуждаются возможность и эффективность использования различных источников потенциального тепла (искусственных и природных) Рассматривается влияние температурного уровня нагреваемого с помощью теплового насоса теплоносителя на эффективность систем теплоснабжения и отмечается перспективность использования низкотемпературных систем отопления для повышения экономичности таких систем Применение ТН является особенно эффективным при замещении электрических систем обогрева При проектировании новых объектов с возможностью подключения к централизованным сетям теплоснабжения эффективность использования тепловых насосов определяется соотношением тарифов на тепловую и электрическую энергию (отношение тарифа на электрическую энергию к тарифу на тепловую энергию должно быть меньше величины ожидаемого коэффициента преобразования ТН) и соотношением капитальных затрат на подключение объекта к централизованной теплосети и на создание теплонасосной системы

Отмечается, что в настоящее время унифицированных методик расчета и проектирования таких систем пока не разработано В отличие от традиционных систем теплоснабжения, теплонасосная система может работать в переменных (нестационарных) режимах, существенно отклоняющихся от расчетных, что связано как с возможным изменением температуры низкопотенциального источника, так и с переменным характером тепловых нагрузок При этом важным предметом оптимизации является расчетная (максимальная) мощность ТН

Во второй части главы 7 рассматривается конкретный пример разработки и внедрения теплонасосной системы теплоснабжения, принципиальной особенностью которого является существенное рассогласование графиков выделения и потребления тепла Объектом внедрения является здание Большого оптического телескопа CAO РАН

Масляная система подвески телескопа оснащена мощными масляными насосами, работа которых приводит к нагреву масла Тепло передается к конструкциям телескопа и приводит к нагреву воздуха в подкулольном пространстве что в свою очередь ведет к возникновению недопустимых с точки зрения условий астрономических наблюдений конвективных воздушных потоков Для охлаждения масла на телескопе создана специальная система воздушного охлаждения, включающая дополнительные циркуляционные насосы, масловоздушный теплообменник и электровентилятор В то же время для отопления ряда

помещений используются местные электронагреватели, потребляющие дополнительную электрическую энергию, причем отопительный сезон в условиях высокогорья длится около 10 месяцев в году Очевидно, что существовавшая до реконструкции система была весьма энергорасточительной В условиях резкого роста тарифов на электроэнергию энергетическая составляющая эксплуатационных затрат стала чрезмерно высокой

Предложенное техническое решение предусматривало использование нагретого масла в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса, с помощью которого обеспечивается как нагрев воды, так и отопление ряда помещений здания При этом эффективно решается проблема охлаждения масла, практически исключается необходимость использования циркуляционных насосов и электровентилятора существовавшей системы охлаждения, а также местных электрических отопительных приборов

Основная проблема, стоявшая на пути практической реализации предложения, состояла в выборе оптимального теплового насоса и согласовании режимов работы оборудования Сложность проблемы была в том, что масляная система подвески телескопа в зависимости от погодных условий, допускающих проведение астрономических наблюдений, работает лишь ограниченное число часов в сутки (продолжительностью от 4 (ожидание ясного ночного неба) до 12 часов при наступлении ясного неба и проведении наблюдений) Причем тепловыделение имеет место в ночное время, а основная тепловая нагрузка приходится на рабочий день, т е для данного объекта характерно существенное несовпадение графика выделения низкопотенциального тепла и графика потребления тепла

Решение этой проблемы оказалось возможным на основе детального математического динамического моделирования работы создаваемой системы с использованием соответствующих программ, разработанных в ОИВТ РАН Одним из ключевых элементов предложенной схемы стал аккумулятор низкопотенциального тепла, объем которого должен был обеспечить максимально полный сбор тепла в ночное время с одновременным недопущением перегрева масла ТН отбирает тепло из бака-аккумулятора, трансформирует его на температурный уровень 50 55°С и направляет на отопление помещений с помощью фанкойлов и нагрев воды в баке-аккумуляторе

В созданной системе (рис 30) был использован тепловой насос фирмы С1|тауепе1а (Италия) тепловой мощностью около 10 кВт Затраты на модернизацию системы составили примерно 250 тыс руб

Экономия электроэнергии с учетом сокращения затрат энергии на привод циркуляционных насосов и электровентилятора системы охлаждения масла, а также сокращения числа часов использования местных электрических отопительных приборов превышает 50 тыс кВтч/год Срок окупаемости установки — менее 2,5 лет

Рис. 30. Схема теплонасосной установки для здания БТАСАО РАН

1 — масляный бак, 2 - циркуляционный масляный насос, 3-промежуточный теплообменник. 4 - бак-аккумулятор, 5-водйной насос, 6- испаритель ТН, 7 - конденсатор ТН, 8- бак горячей воды. 9 - электронагреватель, 10-забор масла из системы, 11 - подача масла в систему, 12-еода из системы отопления, 13 - вода в систему отопления, 14-забор воды для подогрева, 15-подача горячей воды потребителю, 16 - масповоздушный теплообменник

ВЫВОДЫ

1. На основе единого методического подхода, учитывающего существенную нестабильность и переменчивость поступления потоков энергии от ВИЭ. с применением современного программного продукта ТКЫЗУЗ и путем использования исходных акти-нометрических и метеорологических данных в виде часовых последовательностей в формате «типичного метеогода», генерируемого нэ основе доступных среднемесячных климатических данных, выполнен комплекс расчетно-теоретических исследований энергетических и технико-экономических характеристик установок солнечного тепло- и хладоснабжения, солнечных электростанций, солнечно-ветровых автономных энергоустановок. геотермальных электростанций, теппонасосных установок с различными источниками низко потенциально го тепла. Реализация данного подхода в отличие от традиционного, базирующегося на стационарных и квазистационарных моделях, позволяет более адекватно описывать работу энергоустановок на ВИЭ и с большей надежностью предсказывать усредненные показатели и проводить анализ эффективности применения ВИЭ в реальных климатических условиях эксплуатации а различных регионах. Для солнечных водонагревательных установок статистическая обработка результатов динамического моделирования их работы в более 1000 географических точек земного шара позволила установить обобщенные закономерности и разработать упрощенную инженерную методику оценки показателей эффективности.

2 Разработана методика и создана база данных по поступлению энергии солнечной радиации на земную поверхность и различным образом ориентированные в

пространстве неподвижные поверхности и впервые созданы карты распределения среднедневных потоков солнечной радиации за различные периоды года для территории России, представляющие большую практическую значимость для оценки ресурсов солнечной энергии по регионам России и для оценки эффективности использования солнечных установок в различных секторах экономики Показано, что многие районы России располагают солидными ресурсами солнечной энергии и являются перспективными для ее широкого практического использования

3 Разработан новый удобный для практического использования критерий эффективности использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях - удельное число дней за определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые вода в баке-аккумуляторе солнечной установки нагревается за счет солнечной энергии не ниже заданного контрольного уровня температуры (37, 45 или 55°С) Установлены корреляционные зависимости между новым критерием и традиционно используемым критерием «доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии» позволяющие получить дополнительную полезную информацию для анализа эффективности солнечных водонагревательных установок

4 Разработаны методики анализа эффективности применения солнечных прудов для целей теплоснабжения и производства электроэнергии в различных климатических условиях На примерах конкретных разработок проведены оценки влияния свойств грунта и глубины залегания грунтовых вод на технико-экономические показатели солнечно-прудных установок, выпопнены технико-экономические оценки различных схем использования солнечных прудов для целей теплоснабжения, в том числе с применением тепловых насосов Сформулированы направления перспективных разработок, направпенных на повышение эффективности использования солнечных прудов, в том числе связанные с применением современных полимерных материалов

5 Обобщены результаты разработки, создания и экспериментальной эксплуатации ряда демонстрационных объектов с системами солнечного отопления и горячего водоснабжения, в том числе одного из первых в СССР экспериментального солнечного дома, а также ряда солнечных установок, созданных при реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН, подтверждающие возможность высокоэффективного и коммерчески целесообразного применения солнечных установок в России

6 Обоснована целесообразность и приведены результаты разработки новых типов солнечных коллекторов и СБУ из теплостойких полимерных материалов, обеспечивающих существенное улучшение технико-экономических и эксплуатационных показателей по сравнению с традиционными солнечными коллекторами, изготавливаемыми из металла и стекла

7 На основе динамического моделирования солнечных адсорбционных холодильных установок получены важные результаты анализа эффективности использования различных адсорбентов воды в солнечных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях, выявлены ключевые параметры, определяющие эффек-

тивность преобразования энергии солнечного излучения в энергию холода и технические требования к конструкции установок, имеющих широкие потенциальные возможности для практического применения

8 Разработаны методы математического моделирования и анализа технико-экономических показателей автономных солнечно-ветровых энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и водородными накопителями для различных потребителей, расположенных в различных климатических условиях Обоснована принципиальная возможность создания полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок (без сочетания с генераторами на органическом топливе) и оценены их технико-экономические показатели Разработана и создана первая в России автономная солнечно-ветровая энергоустановка теплоснабжения и аварийного электроснабжения слаботочных потребителей Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН Сформулированы задачи первоочередных экспериментальных исследований полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок и разработана концепция экспериментального комплекса для проведения таких исследований

9 Разработаны принципиальные схемы и проведен сравнительный анализ перспективных схем солнечных электростанций башенного типа, работающих с использованием регенерационного цикла Брайтона, обычного цикла Брайтона с инжекцией пара и комбинированного цикла преобразования энергии, показана возможность существенного увеличения эффективности преобразования солнечной энергии по сравнению с «традиционными» паротурбинными схемами СЭС

10 Разработана обобщенная принципиальная схема и выполнен сравнительный энергетический анализ геотермальных электростанций, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией в зависимости от исходных параметров геотермального флюида, свойств рабочего тела, а также с учетом ограничений по предотвращению солеотложений в пароводяном контуре станции, результаты которого представляют практический интерес при разработке эффективных геотермальных энергоустановок

11 На основе динамического математического моделирования теплонасосных систем теплоснабжения разработана и создана высокоэффективная система теплоснабжения здания Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, работающая с утилизацией и аккумулированием низкопотенциального тепла масляной системы подвески телескопа в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления тепла

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Анализ оптических характеристик солнечного коллектора // Гелиотехника, 1981, №4, С 27-32

2 Калашян М С, Попель О С Использование солнечной энергии для теплоснабжения// Промышленность Армении, Ереван, 1981, №7, С 28-29

3 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Экономические аспекты создания установок солнечного теплоснабжения// Известия АН СССР Энергетика и транспорт, 1983, №5, С 147-151

4 Попель ОС, Фрид СЕ, Гиневский АФ, Синкевич OA Анализ тепловых характеристик и конвективной устойчивости солнечного пруда// Сборник докладов Европейского симпозиума по солнечной энергии 13-17 сентября 1983 Варна НРБ, С 69-71

5 Калашян М С, Айрумян А А, Попель О С Опыт эксплуатации системы солнечного теплоснабжения// Промышленность Армении, Ереван, 1985, №т, С С? ^

6 Попель О С Пруд-аккумуляторIIНТР проблемы и решения 1985, №8, С 7-iC

7 Калашян М С, Попель О С, Шпильрайн Э Э Экспериментальный жилой дом с системой солнечного теплоснабжения в пос МерцаванАрм ССР// Гелиотехника, 1986, №3, С 66-71

8 Калашян М С, Попель О С, Фрид С Е Результаты испытаний системы солнечных коллекторов на экспериментальном жилом доме// Гелиотехника, 1986, №4, С 69-73

9 Попель О С, Фрид С Е, Альварес Гера М К расчету поступления солнечной радиации на земную поверхность// Гелиотехника, 1986, №1, С 56-61

10 Калашян М С, Попель О С, Фрид СЕ, Шпильрайн Э Э Анализ тепловых балансов экспериментального жилого дома с системой солнечного теплоснабжения// Гелиотехника, 1987, №1, С 58-63

11 Калашян М С, Попель О С, Шпильрайн Э Э Результаты длительной эксплуатации и технико-экономические показатели системы солнечного теплоснабжения индивидуального жилого дома//Теплоэнергетика, 1987, №9, С 30-33

12 Popel О S Solar ponds Modern state of the art of R&D in the field of heat storage// Edited by acad AE Sheindlin UNESCO Report 1987, Chapter 3 3 , P 16-23

13 Popel OS Mathematical models of solar ponds// Там же Chapter 4 2, P 13-15

14 Popel О S A generalized stationary model for solar pond//Proc of ISES Solar World congress 1987, Humburg, FRG P 243-247

15 Popel OS A generalized stationary model and extreme parameters of solar ponds// Proc of NORTH SUN'88 Solar energy at High Latitudes August 29-31 1988 Borlange, Sweden P 443-452

16 Shpilrain E E, Popel О S , Frid S E Mathematical models of solar energy conversion in flat solar collectors and solar ponds// Proc of NORTH SUN'88 Solar Energy at High Latitudes August 29-31, 1988 Borlange Sweden P 453-464

17 Попель ОС, Шпильрайн ЭЭ И светит и греет// Энергия экономика, техника, экология 1988, №6, С 88

18 Попель О С, Шпильрайн Э Э, Калашян М С К выбору параметров системы солнечного отопления индивидуального жилого дома// Теплоэнергетика 1989, №4, С 16-19

19 Popel О, Bizhanov A IVTAN R&D Activities on Solar Ponds// International Solar Ponds Letters, v 5 №1, July 1991, P 4-5

20 Попель О С, Сонина Н М, Яскин J1А , Зенкова И А Перспективы строительства опытно-промышленного солнечного пруда в Крыму// Энергетическое строительство №2, 1992, С 9-14

21 Попепь О С Возобновляемые источники энергии - настоящее и будущее// Эхо Кавказа № 2, 1992, С 7-15

22 Popel О S, Shpilram Е Е Analysis of Advanced Combined Solar Gas-Turbine Power Plants with Regeneration// Proceedings of the 7"1 International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, September 26-30,1994, Moscow, Russia, v 2, P 404-418

23 Popel О, Shpilram E Techno-Economical Comparison of Advanced Solar Power Plant Schemes// Workshop on the Use of Solar Energy, Economic Commission for Europe, Committee on Energy, Tel Aviv, Israel, 31 July - 4 August 1995

24 Shpilram E, Popel О Integrated Solar-Fuel Power Plant with Solar Conversion of Fossil Fuel// Proceedings of the Fifth Task III Meeting within IEA SolarPACES on Solar Technology Applications, PSI, Viligen (Switzerland), March 8th, 1995, P 245-248

25 Popel О, Shpilram E, Frid S (IVTAN), J Rheinlander, F Lippke, H Koch (2SW) Hybrid Solar-Fuel Power Plants Comparison// Proceedings of the Seventh Task III Meeting within IEA SolarPACES on Solar Technology and Applications, PSA, Almeria (Spain), April 15th, 1996, P 195-200

26 Popel О S, Frid S E, Shpilram E E Solar power plants simulation using the TRNSYS software// Journal de physique 1999, Volume 5, Pr3-599 - 604

27 Попель О С Тепловые насосы - эффективный путь энергосбережения// Проблемы энергосбережения 1999, №1, С 11-12

28 Попель О С Теплонасосные системы теплоснабжения// Энергия экономика, техника, экология «Наука», М 1999, №12, С 22-25

29 Попель О С Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России// Энергосбережение Специализированный журнал АВОК, №1, 2000, С 30-33

30 Попель О С , Фрид С Е Солнечные водонагреватели возможности использования в средней полосе России//Теплоэнергетика 2001, №7 С 44^7

31 Popel О Utilization of solar water heaters in the central part of Russia// RDIEE News, Issue №7, March 2001, P 5-8

32 Директор Л Б, Попель ОС, Туполов ПИ Проблемы энергоснабжения Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук//Проблемы энергосбережения 2001, №1 (5-6), С 10-13

33 Попель О С Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России// Энергосбережение Специализированный журнал АВОК №1, 2001, С 30-33

34 Попель О С, Директор Л Б Энергоснабжение специальной астрофизической обсерватории// Экология и промышленность России №3, 2001, С 15-19

35 Попель О С, Фрид СЕ Показатели солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России// Энергосбережение №4,2002, С 64-67

36 Попель О С, Фрид С Е Эффективность использования индивидуальных солнечных водонагревательных установок в различных регионах России и Европы// Препринт ИВТАН № 3-467 - М , 2002, 41 с

37 Попель О С, Фрид С Е Солнечные водонагревательные установки в климатических

условиях России//Энертя экономика, техника, экология 2002, №12, С 26-35

38 Попель О С, Директор Л Б, Фрид С Е Эффективные системы тепло- и энергоснабжения автономных горных поселений с использованием возобновляемых источников энергии// Труды международной конференции «Физика экстремальных состояний вещества - 2002» (под ред ак Фортова В Е ) Эльбрус, 2002, С 186-189

39 Попель О С, Фрид С Е Анализ предельных энергетических показателей бинарных геотермальных электростанций с различными рабочими телами на примере Верхне-Мутновской ГеоЭС// Международная конференция «Нетрадиционная энергетика XXI века», Крым, Судак 9-15 сентября 2002 г

40 Попель О С, Фрид СЕ, Шпилърайн ЭЭ Предельная теплопроизводительность теплообменника при наличии фазовых переходов в теплоносителях// Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену 21-25 октября 2002 года -М , Из-во МЭИ, том 6, С 172-175

41 Попель О, Фрид С Применение солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России// Городское управление Архангельск № 8 2002 г С 69-72, http //www arhcity ru/4/imc/gor-uprav shtml

42 Шпильрайн Э Э, Попель О С, Фрид С Е, Реутов Б Ф Эффективность сезонного солнечного горячего водоснабжения в различных регионах России// Пленарный доклад на Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003 Состояние, проблемы, перспективы» Санкт-Петербург 4-6 ноября 2003 г

43 Шпильрайн Э Э, Попель О С Солнечное горячее водоснабжение - перспективная ниша для широкого использования в различных регионах России// Четвертый Московский Международный Форум «Энергетика и Общество -2003» Москва, ВВЦ 17 апреля 2003 г

44 Popel О S, Frid S Е, Shpilrain Е Е Comparison of Energy Indexes of Steam And Binary Geothermal Power Plants// International Geotherma! Workshop (IGW-2003) Russia, Sochi, 6-9 October 2003 (CD-publication)

45 Zhukov V M, Zeigamik Yu A, Popel О S State-of-the-Art of the Heat Transfer Investigations of Two-Phase Flows of Natural Hydrocarbons Used As Working Fluids of Geothermal Binary Power Plants// International Geothermal Workshop (IGW-2003) Russia, Sochi, 6-9 October 2003 (CD-publication)

46 Григорьева E H, Попель ОС, Щеглов В H О возможности использования теплостойких пластмасс в конструкциях солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок// Труды Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003 Состояние, проблемы, перспективы» Санкт-Петербург 4-6 ноября 2003 г С 202-208

47 Фрид СЕ, Воробьев А, Мозговой А Г, Попель ОС Стенд-лаборатория для натурных испытаний и сертификации солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок// Труды Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003 Состояние, проблемы, перспективы» Санкт-Петербург 4-6 ноября 2003 г, С 257-262

48 Шпильрайн Э Э, Попель О С, Бале га Ю Ю, Туполов П И, Реутов Б Ф, Нехороший ИХ Роль нетрадиционных возобновляемых источников энергии в решении острых энергетических проблем CAO РАН// Труды Международной конференции

«Возобновляемая энергетика 2003 Состояние, проблемы, перспективы» Санкт-Петербург 4-6 ноября 2003 г , С 269-275

49 Попель О С, Фрид С Е, Шарыкин H Ю , Щеглов В H Эффективность внедрения солнечных водонагревательных установок на объектах CAO РАН// Труды Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003 Состояние, проблемы, перспективы» Санкт-Петербург 4-6 ноября 2003 г С 238-243

50 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Обобщенные показатели типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России//Теплоэнергетика 2003 №1 С 12-18

51 Попель О С Условия эффективного использования и примеры работы тепловых насосов// Сантехника, отопление, кондиционирование (СОК) №2, 2004, С 90-92

52 Попель О С, Фрид С Е, Коломиец Ю Г Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок// Сантехника, отопление, кондиционирование (С О К ) №4, 2004, С 104-109

53 Попель О С, Фрид С Е, Коломиец Ю Г Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок (продолжение)// Сантехника, отопление, кондиционирование (СОК) №5, 2004, С 28-32

54 Попель О С, Фрид С Е, Коломиец Ю Г Методика оценки эффективности использования солнечных водонагревательных установок в климатических условиях Российской Федерации - M Из-во МФТИ 2004 31 с

55 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Моделирование пароводяных и бинарных геотермальных электростанций// Теплоэнергетика 2004 №6 С 436-441

56 Yohanis Y G, Popel О S, Frid SEA simplified method of calculating the heat transfer through a heat exchanger conveying media undergoing phase change at the pre-design stage of an energy system// Applied Thermal Engineenng 25 (2005) P 2321-2329

57 Попель О , Прошкина И Сопнечная Россия В мире науки №1,2005, С 14-18

58 Сулейманов МЖ, Коломиец ЮГ, Прокопченко ИН, Попель ОС, Фрид СЕ, Щеглов В H Солнечные коллекторы сравнение показателей конструкций зарубежных и отечественных производителей и разработка новых технических решений// Труды Международной конференции «Возобновляемая энергия проблемы и перспективы» Махачкала, ИПГ ДНЦ РАН 2005 С 337-344

59 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э, Щеглов В Н, Изосимов Д Б Туманов В Л Системы автономного энергоснабжения с испопьзованием солнечной и/или ветровой энергии и водородных накопителей// Труды Международной конференции «Возобновляемая энергия пробпемы и перспективы» Махачкала, ИПГ ДНЦ РАН 2005 С 154-170

60 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Эффективность комплексного использования возобновляемых источников энергии и энергосберегающих мероприятий в России на конкретных примерах// Материалы Международного научно-технического семинара «Энергосбережение и возобновляемая энергетика» Сочи, 23-24 июня 2005 г , Сочи РИО СГУТи КД 2006 С 170

61 Robert Pitz-Paal, Juergen Dersch, Barbara Milow, Felix Tellez, Alain Ferriere, Ulnch Langnickel, Aldo Steinfeld, Jacob Kami, Eduardo Zarza, Oleg Popel Concentrating Solar Power Plants - How to Achieve Competitiveness// VGB Power Tech 8/2005 P 46-51

62 European Concentrated Solar Thermal Road-Mapping// SES-CT-2003-502578 ECOSTAR DLR - Germany (Contributors Robert Pitz-Paal, Juergen Dersch, Barbara Milow (DLR), Alain Femere (CNRS), Manuel Romero, Felix Telez, Eduardo Zarza (CIE-MAT), A/do Steinfeld (ETH), Ulnch Langnickel (VGB), Evald Shpilram, Oleg Popel, Vladimir Scheglov (IVTAN), Michael Epstein, Jacob Kami (WIS), 142 p

63 R Pitz-Paal, J Dersch, В Milow, F Tellez, A Femere, U Langnickel, A Steinfeld, J Kami, E Zarza, and О Popel, "Development Steps for Concentrating Solar Power Technologies with Maximum Impact on Cost Reduction," // Proc 2005 Int Solar Energy Conf (ISEC 2005), Aug 6-12, 2005, Orlando, Fla , ISEC 2005-76081 (2005)

64 Popel' О S, Fnd S E, Shcheglov V N, Suleimanov M Zh, Kolomiets Yu G, and Prokop-chenko I N A Comparative Analysis of the Design Features of Solar Collectors Made in Russia and Abroad New Technical Solutions^Thermal Engineering Vol 53, No 3,2006, P 175-181

65 Popel'О S, Fnd S E, Shpil'rain E E, Izosimov D B, and Tumanov V L Independent Hydrogen Power Installations with Renewable Sources of Energy// Thermal Engineenng Vol 53, No 3, 2006, P 208-217

66 Popel О S Experimental and theoretical study of solar and/or wind energy utilization with interim energy storage in hydrogen for autonomous energy supply// IPHE Renewable Hydrogen Workshop 24-26 October 2005, Seville, Spain

67 Popel О S Autonomous energy supply systems based on RES utilization// Международная конференция «Инновационное сотрудничество и пути его развития в условиях ЕС», 15-21 декабря 2005 г Вена, Австрия

68 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э Проблемы разработки автономных солнечно-ветровых энергоустановок и пути их решения// Международный форум «Водородные технологии для производства энергии», Москва, 6-10 февраля 2006 г

69 Попель ОС, Коломиец Ю Г, Мордынский А В, Прокопченко ИВ, Сулейманов МЖ, Фрид С Е Автономные водородные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии// Международный форум «Водородные технологии для производства энергии» Москва, 6-10 февраля 2006 г

70 Fnd SE, Popel OS Dynamic simulation of solar assisted adsorption cooling unit using new adsorbent materials//1NTAS/2003/51/6260 Workshop, Messina, Italy, 27 January 2006

71 Попель О С, Фрид С Е, Шпильрайн Э Э, Изосимов Д Б, Туманов В Л Солнечные и ветровые автономные энергоустановки с водородным накопителем// Перспективы энергетики 2006, том 10, С 77-90

72 Сулейманов М Ж, Попель О С, Сковородько С Н Спектральные характеристики прозрачных покрытий солнечных коллекторов// Труды Международной конференции «Физика экстремальных состояний - 2006» Эльбрус, 1-6 марта 2006 г, Черноголовка, ИПХФ РАН С 207-210

73 Коломиец ЮГ, Попель ОС, Фрид СЕ Сравнение эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллекторов для нагрева воды в различ-

ных климатических условиях// Труды Международной конференции «Физика экстремальных состояний - 2006» Эльбрус, 1-6 марта 2006 г, Черноголовка, ИПХФ РАН С 259-261

74 Попель О С Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии// Энергосбережение, НП «АВОК», №3, 2006, С 21-30

75 Aristov Yl, Chalaev D, Dawoud В, Heifets L, PopeI О, Restuccia G Solar driven thermochemical refrigerator at the interface between chemical and thermal engineering// Proceedings of the XVII International Conference on Chemical Reactors "CHEMREAC-TOR-17" May 15-19 2006, Athens-Crete, Greece, P 35-36

76 Popel О, Fad S, Sharonov S Dynamic simulation of solar driven thennochemical refrigerator in different climatic conditions// Proceedings of the XVII International Conference on Chemical Reactors "CHEMREACTOR-17" May 15-19, 2006, Athens-Crete, Greece, P 72-73

77 Yohanis, Y, Popel, O, Frid, S, Norton В Geographic Variation of Solar Water Heater Performance in Europe// Proceedings of the I MECH E Part A Journal of Power and Energy, Volume 220, Number 4, 2006, P 395-407

78 Yohanis, Y G Popel О S, Frid S E and Norton, В The annual number of days that solar heated water satisfies a specified demand temperature// Solar Energy V 80, Issue 8, August 2006, P 1021-1030

79 Oleg S Popel, Semen E Frid Solar Driven Adsorption Cooler Efficiency Study in Different Climatic Conditions// International Conference "Renewable Energy 2006" (RE2006), 9-13 October 2006, Makuhari Messe, Chiba, Japan (CD - publication)

80 Oleg S Popel, Evald E Shpilrain Development and Mathematical Simulation of Autonomous Energy Systems based on Solar or/and Wind Energy// International Conference "Renewable Energy 2006" (RE2006), 9-13 October 2006, Makuhari Messe, Chiba, Japan (CD - publication)

81 Попель О С, Фрид С Е, Коломиец Ю Г, Киселева С В, Терехова Е Н Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России// Энергия экономика, техника, экология 2007, №1, С 15-23

82 Попель О С Перспективы развития возобновляемых источников энергии// В кн Возобновляемые источники энергии Лекции ведущих специалистов, прочитанные на V Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии», Выпуск 4 Подред А А Соловьева М Книжный дом Университет, 2006, С 71-96

83 Попель О С Перспективы развития возобновляемых источников энергии обобщенные показатели// Энергия экономика, техника, экология 2007, №3 С 10-17

84 Попель О С Перспективы развития возобновляемых источников энергии роль ВИЭ в энергетике//Энергия экономика, техника, экология 2007, №4 С 12-19

85 Попель О С, Фрид С Е , Шаронов С С Анализ эффективности использования сорбентов воды для создания солнечных холодильных установок// Труды международного семинара Теплофизические свойства веществ 25-30 сентября 2006 г г Нальчик С 144-146

86 Попель ОС, Фрид СЕ, Шаронов С С Анализ работы солнечной адсорбционной холодильной установки периодического действия//Теплоэнергетика, 2007 №8 СС 14-20

87 Солнечный коллектор (Авторы ОС Попель, ВН Щеглов, ИН Прокопченко, МЖ Су-лейманов, СЕ Фрид) Патент на полезную модель №48038 от 10 сентября 2005 г

88 Солнечный коллектор (Авторы О С Попель, В Н Щеглов, И Н Прокопченко, МЖ Су-лейманов, Ю Г Коломиец) Патент на полезную модель №48039 от 10 сентября 2005г

89 Теплогидравлический испытательный стенд (Авторы О С Попель, Ю Г Коломиец, ИВ Прокопченко, МЖ Сулейманов, СЕ Фрид) Патент на полезную модель №53416 от 10 мая 2006 г

Олег Сергеевич ПОПЕЛЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Автореферат

Подписано в печать 09 04 2007

Печать офсетная

Тираж 150 зкз_

Уч изд л 3,7 Заказ № 34

Формат 60x84/16 Уел -печ л 3,49

Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул , 13/19

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ

2.1. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России

2.2. Эффективность использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях

2.2.1. Критерии эффективности СВУ

2.2.2. Математическое моделирование работы СВУ

2.2.3. Инженерная методика оценки эффективности работы СВУ

2.3. Преобразование энергии солнечного излучения с помощью солнечных прудов

2.4. Разработка новых типов солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких пластмасс

2.4.1. Сравнение технического уровня солнечных коллекторов отечественных и зарубежных производителей

2.4.2. Разработка солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс

2.5. Экспериментальные объекты с системами солнечного теплоснабжения

2.5.1. Экспериментальный солнечный дом в Армении

2.5.2. Установки солнечного теплоснабжения объектов CAO РАН

ГЛАВА 3. СОЛНЕЧНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНЫХ АДСОРБЕНТОВ ВОДЫ

3.1. Термодинамический анализ термохимического цикла адсорбционного холодильника

3.2. Анализ условий выбора оптимальных режимов работы адсорбционной холодильной установки с учетом особенностей процессов сорбции/десорбции

3.3. Моделирование работы солнечной адсорбционной холодильной установки

ГЛАВА 4. АВТОНОМНЫЕ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫЕ

ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

4.1. Принципы построения автономных энергоустановок 186 на возобновляемых источниках энергии.

4.2. Разработка математической модели 191 солнечно-ветровых автономных энергоустановок

4.3. Экспериментальные установки для лабораторных и 206 натурных исследований автономных солнечно-ветровых энергоустановок

ГЛАВА 5. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ГАЗОТУРБИННЫМИ 215 УСТАНОВКАМИ

5.1. Термодинамический анализ газотурбинных солнечных 220 электростанций с регенерацией тепла

5.2. Моделирование схем солнечных электростанций 231 с газовыми турбинами

ГЛАВА 6. ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

6.1. Обобщенная принципиальная схема ГеоЭС с 241 пароводяной турбиной, турбиной на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией

6.2. Выбор и тестирование уравнения состояния 246 природных углеводородов

6.3. Результаты расчетных исследований энергетической 259 эффективности ГеоЭС на различных рабочих телах

6.4. Анализ чувствительности расчетных показателей схем 262 ГеоЭС к изменению режимных параметров

ГЛАВА 7. ТЕПЛОНАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

7.1. Условия эффективного использования тепловых 266 насосов с различными источниками низкопотенциального тепла

7.2. Эффективность системы теплонасосного 274 теплоснабжения здания Большого оптического телескопа CAO РАН

ВЫВОДЫ

Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии использования ВИЭ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе российский.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии и новые методы ее преобразования и аккумулирования» определены в качестве одной из критических технологий в рамках приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации, утвержденных Президентом России 30.03.2002 г., № Пр-577 и Пр-578.

Главными задачами научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок является повышение эффективности преобразования ВИЭ в полезные виды энергии, надежности и других технико-экономических показателей разрабатываемых систем и устройств, поиск ниш экономически эффективного внедрения технологий, создание и опытная апробация демонстрационных установок, подготовка научно-методических материалов, обосновывающих эффективные сферы и способы использования ВИЭ.

Объектами исследований и разработок в диссертации являются технологии, установки и системы, обеспечивающие эффективное преобразование:

- солнечной энергии в тепловую энергию (системы солнечного горячего водоснабжения и отопления), в энергию «холода» (солнечные адсорбционные холодильные установки) и в электроэнергию (солнечные электростанции с термодинамическим преобразованием);

- солнечной (с помощью Фотоэлектрических преобразователей!, ветровой энергии или их комбинации в электроэнергию для энергоснабжения автономных потребителей, в том числе с использованием водородных накопителей энергии;

- геотермальной энергии в электроэнергию (геотермальные электростанции (ГеоЭС), в частности, энергетические установки с низко-кипящими рабочими телами);

- низкопотенциального тепла от различных источников с помощью тепловых насосов в тепловую энергию для целей горячего водоснабжения и отопления.

Целью работы является разработка научных и технологических основ эффективного преобразования перечисленных выше ВИЭ и их апробация путем математического моделирования работы установок и систем в условиях, максимально учитывающих реальные условия эксплуатации, а также путем создания экспериментальных и демонстрационных установок.

В условиях существенной нестабильности поступления энергии от большинства ВИЭ, обусловленной суточными, сезонными, погодными и другими факторами, использование стационарных и квазистационарных методик анализа эффективности преобразования энергии, в отличие от традиционных энергоустановок, как правило, не обеспечивает получения надежных и достоверных результатов. С учетом этого обстоятельства в диссертации реализуется единый методический подход к решению задач моделирования энергоустановок на ВИЭ. Этот подход основан на разработке и применении динамических моделей установок.

Принципиальной особенностью моделей является использование в качестве исходных данных детальной актинометрической и метеорологической информации в формате «типичного метеогода - TMY» (часовые годовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости ветра и температуры атмосферного воздуха). TMY генерируется с помощью международно-отработанных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных1. Исследования, проведенные рядом зарубежных авторов и направленные на определение оптимальной степени детализации исходных актинометрических

1 Hall I.; Prairie R.; Anderson H.; Boes E. Generation of Typical Meteorological Years for 26 SOLMET Stations. SAND78-1601. - Sandia National Laboratories. Albuquerque. 1978. (http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/tmy2/ overview.html#method) данных (шага интегрирования) при моделировании работы солнечных установок, показали, что адекватное описание таких установок с приемлемой погрешностью предсказания интегральных энергетических показателей обеспечивается при часовых интервалах представления солнечной радиации. Более мелкие шаги интегрирования не приводят к существенному повышению точности результатов, но ведут к резкому увеличению продолжительности расчетов. Увеличение шага интегрирования более 1 часа приводит к существенному повышению погрешности расчетов.

Динамическое моделирование большинства рассмотренных в диссертации установок осуществляется с применением современного программного продукта ТЯМБУБ2, используемого в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЗ ведущими мировыми научными центрами. Среда динамического моделирования ТЯМБУБ, первоначально разработана в Висконсинском университете (США) в 1973 году для моделирования систем солнечного теплоснабжения. На сегодня ТЯМБУБ является отраслевым стандартом де-факто, что позволяет говорить о достоверных результатах моделирования.

Среда предназначена для описания поведения систем, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений, и представляет собой набор ФОРТРАН-модулей, необходимых для управления процессом моделирования; модулей, описывающих поведение различных элементов системы и используемых в качестве «кирпичей» для ее сборки, а также ряда вспомогательных модулей, в том числе предназначенных для ввода и вывода информации и ее анализа. Весь этот набор откомпилирован в динамическую библиотеку и работает под управлением собственно программы динамического моделирования.

Конфигурация моделируемой системы задается пользователем в виде специального файла описания связей между элементами систе

2 TRNSYS - The Transient System Simulation Program // http://sel.me. wisc.edu/TRNSYS/ мы. Этот файл в последних версиях ТЯ^УБ генерируется специальной программой с удобным графическим интерфейсом.

Модульный характер ТКМБУБ, наличие исходного кода и четких правил описания и связывания модулей определяют открытый характер ТК^УБ, позволяя пользователю создавать модули описания собственных элементов и включать их в моделируемые системы, расширяя таким образом возможности среды моделирования. Кроме того, независимой переменной при моделировании не обязательно должно быть время, что дает возможность проводить вариантные и оптимизационные расчеты, исследуя поведение квазидинамической системы при изменении соответствующих параметров.

Технология динамического моделирования установок на ВИЭ иллюстрируется рис. 1. В результате статистической обработки результатов моделирования определяются интегральные энергетические и технико-экономические показатели установок. В некоторых случаях (см., например, раздел 2.2., относящийся к солнечным водонагревательным установкам) удается получить обобщающие зависимости, на основе которых возможно построение инженерных методик расчета.

СРЕДНЕМЕСЯЧНЫЕ ДАННЫЕ ПО СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ, ТЕМПЕРАТУРЕ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА, СКОРОСТИ ВЕТРА

Динамическое моделирование работы установки в течение года (ТДЫЗУЭ)

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Рис. 1. Технология моделирования установок на ВИЭ

Для достижения сформулированной выше цели, в том числе с использованием описанного единого методического подхода, в диссертации решаются следующие конкретные задачи:

В области преобразования солнечной энергии в тепловую энергию:

- Используя доступные источники климатической информации, систематизировать, обобщить и представить в удобном для практического использования виде данные о распределении ресурсов энергии солнечного излучения по территории России за различные периоды года, необходимые для оценки эффективности использования солнечных установок.

- Разработать и с использованием имитационных моделей и путем создания экспериментальных объектов обосновать эффективные схемы солнечного горячего водоснабжения и отопления различных потребителей на основе плоских солнечных коллекторов и «солнечных прудов»,

- Разработать методику оценки эффективности применения солнечных водонагревательных установок в климатических условиях различных регионов России, ориентированную на разработчиков и потенциальных пользователей солнечных установок.

- Разработать и создать экспериментальные конструкции солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с применением современных теплостойких полимерных материалов, обеспечивающие существенное улучшение технико-экономических показателей по сравнению с традиционными солнечными установками, изготавливаемыми с использованием металлических материалов и стекла.

В области преобразования солнечной энергии в энергию холода с помощью адсорбционных холодильных установок: провести анализ эффективности использования различных адсорбентов воды в солнечных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях, выявить основные критические параметры, влияющие на эффективность преобразования солнечной энергии и разработать практические рекомендации;

В области раздельного и комбинированного использования солнечной (с помощью фотоэлектрических преобразователей) и ветровой энергии для энергоснабжения автономных потребителей: разработать методы математического моделирования работы автономных солнечно-ветровых энергоустановок в реальных климатических условиях с целью обоснования их оптимальной конфигурации и определения возможности создания полностью автономных энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и/или водородными накопителями, сформулировать задачи необходимых экспериментальных исследований, разработать и создать прототип автономной солнечно-ветровой энергоустановки для конкретного потребителя;

В области преобразования солнечной энергии в электрическую энергию на электростанциях с термодинамическим циклом: разработать принципиальные схемы солнечных электростанций (СЭС), работающих с использованием современных газотурбинных установок, и на основе динамического математического моделирования провести сравнительный анализ энергетической эффективности различных перспективных схем СЭС.

В области преобразования геотермальной энергии в электрическую энергию: разработать обобщенную схему и имитационную модель геотермальной электростанции и на основе единого подхода провести сравнительный анализ различных схем ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящих рабочих телах или с их комбинацией на примере разрабатываемого бинарного блока Верхнее-Мутновской ГеоЭС.

В области преобразования низкопотенииального тепла с помощью тепловых насосов в тепловую энергию: разработать принципиальные схемы систем теплоснабжения с парокомпрессионными тепловыми насосами, утилизирующими тепло от нестационарных источников с существенным различием графиков выделения и потребления тепла, и с использованием имитационной модели обосновать оптимальные технические решения по созданию теплонасосной системы теплоснабжения конкретного объекта.

На защиту выносятся следующие результаты исследований и разработок, выполненных лично автором или под его научным, руководством, обладающие существенной научной новизной и практической значимостью:

1. Методика формирования базы данных и результаты построения карт распределения среднедневных потоков солнечной радиации на земную поверхность и различным образом ориентированные в пространстве неподвижные поверхности за различные периоды года для территории России для гелиотехнических приложений.

2. Новый критерий эффективности использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях: число дней за определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые вода в баке-аккумуляторе солнечной установки нагревается за счет солнечной энергии не ниже заданного контрольного уровня температуры (37, 45 или 55°С).

3. Инженерная методика расчета эффективности работы солнечных водонагревательных установок (СБУ) в различных климатических условиях на основе вновь введенного критерия и традиционно используемого критерия («доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии»), разработанная на основе применения современных методов динамического моделирования «типичной» СБУ. Установление корреляционных зависимостей между двумя указанными выше критериями.

4. Результаты анализа эффективности применения солнечных прудов для целей теплоснабжения и производства электроэнергии.

5. Результаты разработки, создания и экспериментальной эксплуатации ряда демонстрационных объектов с системами солнечного отопления и горячего водоснабжения.

6. Результаты разработки новых типов солнечных коллекторов и СБУ из теплостойких полимерных материалов, обеспечивающих улучшенные технико-экономические и эксплуатационные показатели.

7. Результаты анализа эффективности солнечных адсорбционных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях.

8. Результаты анализа показателей и рекомендации по выбору оптимальной конфигурации полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и водородными накопителями с учетом реальных климатических условий места предполагаемой эксплуатации.

9. Принципиальные схемы и результаты сравнительного анализа схем СЭС башенного типа, работающих с использованием регенераци-онного цикла Брайтона, обычного цикла Брайтона с инжекцией пара и комбинированного парогазового цикла преобразования энергии.

10. Обобщенная принципиальная схема и результаты сравнительного энергетического анализа ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией в зависимости от исходных параметров геотермального флюида, свойств рабочего тела, а также с учетом ограничений по предотвращению солеотложений в пароводяном контуре станции.

11. Результаты моделирования, разработки и создания системы теплонасоного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, работающей с утилизацией низкопотенциального тепла масляной системы подвески телескопа в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления тепла.

Большая часть исследований и разработок, представленных в диссертации, выполнялась в рамках проектов, входящих в состав Федеральных и региональных научно-технических программ, инициативных проектов, финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований, Московским комитетом по науке и технологиям Правительства Москвы, а также в рамках международных проектов и договоров с различными заказчиками.

Так, например, исследования и разработки в области использования солнечной энергии и тепловых насосов для целей теплохладо-снабжения в последние годы проводились:

- по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракте Роснаукой № 02.447.11.5011);

- по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетического использования возобновляемых источников энергии в регионах России» (Государственный контракт с Роснаукой №02.516.11.6013);

- по программе РАН «Повышение эффективности использования учреждениями РАН энергоресурсов и сокращения расходов на эти цели»;

- по грантам РФФИ: 01-02-17317 «Разработка математических моделей и программного обеспечения для прогнозирования эффективности применения солнечных и комбинированных солнечно-теплонасосных систем теплоснабжения в климатических условиях России», 03-02-16637 «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах», 05-02-16953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла», 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов», 0608-01530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах».

- по грантам ОАО МКНТ Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг., а также

- в рамках научного сотрудничества с Ulster University (Северная Ирландия).

Исследования в области солнечных электростанций выполнялись в рамках научного сотрудничества по программе Международного энергетического агентства SolarPACES (высокотемпературные энергетические и химические технологии использования концентрированного солнечного излучения) с DLR (Германия), CIEMAT (Испания), SNL (США), WIS (Израиль) и др., а также в рамках Международного проекта 6-ой Рамочной программы Европейского союза «European Concentrated Solar Thermal Roadmap (ECOSTAR) Coordination Action» в 20032005 гг. (Consortium: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - координатор, VGB PowerTech e.V., Centro de investigaciones energéticas, medioambientales y tecnológicas (CIEMAT), Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS-IMP), Weizmann Institute of Science (WIS), ETH - Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Institute for high temperatures, Russian academy of sciences (ИВТАН)).

Исследования в области геотермальной энергетики выполнялись по контрактам с ЗАО «Геотерм» в рамках разработки проекта Верхне-Мутновской геотермальной электростанции, по гранту РФФИ 03-02-16637-а «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах» и в рамках международного проекта 6-ой рамочной программы Европейского Союза «EIMGINE».

Исследования в области разработки солнечных адсорбционных холодильных установок проводились в рамках проекта INTAS 03-516260 «SOU\C» «Исследование солнечной адсорбционной холодильной установки, использующей новые адсорбирующие материалы (координатор: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Istituto di Tecnologie Avanzate per I'Energia "Nicola Giordano" (ITAE), Италия, соисполнители: И ВТ РАН (Россия), Aachen University (RWTH-Aachen) (Германия), Институт Катализа СО РАН, МГУ (Россия), Институт Технической теплофизики НАНУ (Украина), а также гранта РФФИ 05-02-16953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла».

Исследования по разработке полностью автономных энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии с водородными накопителями выполнялись в рамках Соглашения Академии наук с ОАО «ГМК «Норильский никель» по водородной энергетике и гранта РФФИ 06-08-00337 «Теоретическое и экспериментальное исследование автономных солнечно-ветровых энергоустановок».

Работы выполнялись в рамках научной школы академика А.Е. Шейндлина и члена-корреспондента РАН Э.Э. Шпильрайна.

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит:

- в развитии теоретических, методических и технологических основ эффективного преобразования различных ВИЭ, обеспечивающих базу для практического применения рассматриваемых технологий в различных секторах экономики;

- в создании ряда опытно-демонстрационных объектов с системами энергоснабжения с использованием солнечной энергии и утилизацией низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов;

- в практической реализации экономически эффективных технических решений по использованию возобновляемых источников энергии при реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН, обеспечивших существенную экономию электроэнергии и повышение надежности энергоснабжения;

- в разработке новых конструкций и создании научных основ для организации опытного производства плоских солнечных коллекторов и индивидуальных солнечных водонагревательных установок из теплостойких и стойких к ультрафиолетовому излучению пластмасс, имеющих при сохранении высокой энергетической эффективности в 1,5 - 2 раза более низкую стоимость, чем коллекторы и СБУ, изготавливаемые из цветных металлов и стекла.

Достоверность результатов исследований обусловлена применением современных международно-признанных методов и программных средств динамического моделирования рассматриваемых систем и установок (TRNSYS), проведением анализа погрешностей полученных результатов и анализа чувствительности полученных интегральных энергетических характеристик к изменению ключевых параметров, проведением натурных экспериментов и положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем теплоснабжения с использованием ВИЭ.

Автор глубоко признателен к.т.н. С.Е. Фриду, в тесном сотрудничестве с которым выполнен обширный комплекс расчетно-теоретических исследований, к.ф.-м.н. В.Н. Щеглову, аспиранту М.Ж. Сулейманову, инженеру-конструктору И.В. Прокопченко, аспиранту A.B. Мордынскому и механику В.В. Пилипенко, совместно с которыми велись разработки и испытания новых конструкций солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс, аспирантке Ю.Г. Колоииец, выполнившей огромный объем работ по формированию климатических баз данных и построению карт распределения ресурсов солнечной энергии для регионов России, к.т.н. Л.Б. Директору, с участием которого созданы экспериментальные и демонстрационные установки на объектах Специальной астрофизической обсерватории РАН и выполнены работы по подготовке уравнений состояния перспективных органических рабочих тел для бинарных геотермальных энергоустановок, к.т.н. A.A. Чернявскому (ОАО «Ростовтеплоэлектропроект»), внесшему решающий вклад в разработку и реализацию проектов установок на ВИЭ для CAO РАН, к.т.н. Д.Б. Изосимову (ИПУ РАН), и В.Л. Туманову (НИК-НЭП), к.т.н. В.И. Трофименко (МЭИ), в тесном сотрудничестве с которыми разработаны подходы к созданию автономных энергоустановок с водородными накопителями, студенту МФТИ С.С. Шаронову, увлеченно участвовавшему в разработке солнечной адсорбционной холодильной установки, к.ф.-м.н. C.B. Киселевой и студентке E.H. Тереховой (МГУ им. Ломоносова) за активное сотрудничество в подготовке Атласа ресурсов солнечной энергии в регионах России, д.х.н. Ю.И. Аристову (ИК СО РАН) за плодотворное сотрудничество при проведении исследований солнечных адсорбционных холодильных установок, а также к.т.н. А.Г. Мозговому, участвовавшему в создании стендового оборудования, и многим другим сотрудникам и коллегам, внесшим вклад и содействовавшим выполнению исследований и разработок по теме диссертации.

Особую благодарность автор выражает члену-корреспонденту РАН Э.Э. Шпильрайну, без постоянного внимания и научного руководства которого выполнение данной работы вообще вряд ли было бы возможно.