автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование показателей комбинированных установок для получения тепла и холода за счет использования солнечной энергии

На правах рукописи

РАТНИКОВ Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА И ХОЛОДА ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004 г.

Работа выполнена на кафедре промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Калинин Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тарнижевский Борис Владимирович

доктор технических наук, профессор Сергиевский Эдуард Дмитриевич

Ведущая организация Всероссийский институт Электрификации

Сельского хозяйства (ВИЭСХ)

Защита состоится «26» ноября 2004 г. в 15 час. 00 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказарменная, д. 17

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Автореферат разослан « 2/3 » ¿-тдГ^а 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., профессор

¿ООЫ

7УУ7Р

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Несмотря на то, что исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии человечеству в ближайшее время не грозит, сам факт, что они не возобновляемые не может не беспокоить. Говоря о перспективной стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна опираться на НВИЭ, в том числе и солнечную энергию.

Идет непрерывная работа в области исследования процессов, выявления возможностей повышения эффективности, создание новых элементов систем солнечного теплоснабжения. Каждый раз, говоря о возможности применения системы солнечного теплоснабжения, необходимо определять экономическую целесообразность ее внедрения. Это связано с тем, что для многих стран (стран Европы, США, России, Япония) основным фактором, препятствующим активному использованию НВИЭ, является экономический. Определение районов, в которых использование установок солнечного теплоснабжения выгодно или будет выгодно при определенных условиях, осложняется сильной зависимостью энергетической эффективности таких установок от климатических параметров местности, в которой они применяются, и текущих цен на оборудование и тарифов на энергоресурсы. Работ посвященных экономическому анализу немного. Необходимы дополнительные исследования, особенно систем комбинированного солнечного теплоснабжения (одновременного отопления и горячего водоснабжения).

Применение гибридных солнечных коллекторов, позволяющих одновременно получать два вида энергии: электрическую и тепловую, способствует увеличению эффективности преобразования солнечной энергии. Будет целесообразным использование гибридных солнечных коллекторов в комбинированных установках теплохладоснабжения для одновременного получения тепла и холода. Существует ряд работ посвященных данной тематике. В тоже время требуются дополнительные исследования параметров гибридных коллекторов и созданных на их основе установок комбинированного теплохладоснабжения, в том числе и по экономической возможности применения.

Дель работы. Исследование показателей комбинированных установок теплоснабжения (получения теплоты разных потенциалов для отопления и горячего водоснабжения) и теплохладоснабжения (одновременного получения тепла и холода), предназначенных для получения тепла и холода с помощью солнечной энергии.

Научная новизна Предложены зависимости пересчета количества радиации, поглощаемой поверхностью плоского солнечного коллектора, с горизонтальной на наклонную поверхность, с учетом анизотропности диффузной составляющей общей радиации и приведенной поглощающей способности.

Скорректированная на основании работ Валова и Казанджана методика расчета систем солнечного теплоснабжения позволяет уменьшить погрешность определения максимально достижимой удельной экономии приведенных затрат комбинированной установки. Предложена зависимость для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений, которая повышает точность определения оптимальных параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения (площадь солнечных коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя в гелиоконтуре, площадь теплообменника гелиоконтура, максимально достижимую удельную экономию приведенных затрат), что является необходимым фактором в условиях рыночной экономики.

Составлен прогноз развития и применения комбинированных установок солнечного теплоснабжения для различных регионов России. Установлена экономическая целесообразность применения этих установок по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость коллектора для различных типов солнечных коллекторов. Определены теплотехнические и ценовые параметры, которые оказывают существенное влияние на показатели установки и те, влияние которых мало.

Предложены зависимости для определения КПД и количества полезно получаемой теплоты гибридного воздушного коллектора. Автором предложена оригинальная схема комбинированной установки с гибридным коллектором для получения тепла и холода. Установлена экономическая целесообразность применения установки по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость гибридного коллектора.

Практическая ценность. Использование установок комбинированного солнечного теплохладоснабжения является одним из способов энергосбережения и не наносит непосредственного ущерба окружающей среде. Представленная методика и полученные результаты работы могут быть использованы проектировщиками и исследователями в качестве вспомогательного материала при расчетах комбинированных систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения

Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе «Разработка гаммы автономных источников тепла для отопления и горячего водоснабжения аудиторий и объектов образовательной среды» -Инв. №1031010,-№, 2002.

По материалам диссертации подготовлено учебное пособие «Солнечное тепло- и хладоснабжение и ветроэнергетические установки», в котором

излагаются вопросы использования солнечной радиации и энергии ветра для широкого круга потребителей. Отдельные разделы диссертации использованы в лекционном курсе «Нетрадиционные источники энергии».

Автор защищает:

-предложенную формулу пересчета общего количества солнечной радиации на наклонную поверхность с учетом анизотропного распределения ее диффузной составляющей.

-результаты анализа влияния стоимостных и теплотехнических параметров на основные показатели комбинированных установок солнечного теплоснабжения.

-результаты расчетов максимально возможной удельной экономии годовых приведенных затрат установок комбинированного солнечного теплоснабжения для различных географических регионов России, -полученные аналитические зависимости и результаты анализа гибридного коллектора и системы комбинированного теплохладоснабжения на основе парокомпрессионного кондиционера.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 27-28 2001 г и 28 февраля-1 марта 2002 г.), всероссийской научно-методической конференции «Научные основы федерально-региональной политики в области образования» (г. Владимир, 58 февраля 2002 г.), научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федеративного округа» (г. Смоленск, декабрь 2003 г.); опубликованы и представлены на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2002 г.), 1-й между- народной конференции по энергосбережению (г. Алжир, 25-26 мая 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации были изложены в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 83 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор работ, касающихся систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения. Осуществлен анализ различных схемных решений установок. Представлены способы получения холода с использованием солнечной энергии: радиационный, на основе гибридного коллектора и парокомпрессионного кондиционера, абсорбционный, на основе струйных трансформаторов тепла, адсорбционный, при помощи химических реакторов, на основе испарительного охлаждения. Указаны рекомендуемые рабочие тела и эффективность каждого из них. Анализ базировался на основе работ ряда авторов: в области солнечного теплоснабжения и радиационного охлаждения (Даффи Дж., Бекмана В., Зоколея С, Танаки С., Тарнижевского Б., Казанджана Б., Харченко Н., Грека Ф., и др. ), в области установок с физической и химической сорбцией (Guilleminot J., Meunier R, Critoph R., Michaelid I., Охары С, Байрамова Р., Какабаева А., Ачилова Б. и др.), в области солнечного охлаждения с помощью струйных машин (Huanng В., Петренко В., Гросмана Э. и др.), в области теплохладоснабжения с помощью гибридных солнечных коллекторов (Gard Н., Iloeje О., Falkenberg С, Фудзисавы Т., Колтуна М., работы кафедры ТМПУ (МЭИ) и др.). Результатом обзора стали выводы, изложенные ниже.

При комбинированном теплоснабжении у двухконтурных схем экономия органического топлива примерно одинакова. Выбор схемы установки будет зависеть от капитальных затрат в оборудования, соотношения нагрузок на отопление и горячее водоснабжение.

Для охлаждения помещений, при холодильной нагрузке более 50 кВт, рекомендуется применять установки сорбционного типа. Низкие капитальные затраты имеют установки испарительного охлаждения и сорбционные системы с разомкнутым циклом, при достаточно высоком коэффициенте полезного действия. Также выгодными будут абсорбционные установки с закрытым циклом. В области значений холодильной нагрузки меньше 50 кВт оптимальным по эффективности и стоимости получаемого холода будет использование гибридного коллектора и парокомпрессионного кондиционера.

Автором выделены три технологии, которые подходят для комбинированного теплохладоснабжения: абсорбционная технология, системы на основе разомкнутых циклов и технология на основе гибридного солнечного коллектора и парокомпрессионного кондиционера.

Из проведенного обзора следует, что по первым двум технологиям имеется достаточное количество публикаций. Существуют разные методики расчетов и промышленностью выпускаются установки солнечного теплоснабжения.

Установки с гибридным солнечным коллектором стали объектом пристального изучения относительно недавно. Имеется ряд работ по отдельным вопросам связанных с гибридными коллекторами: прогнозируемой стоимости, общей эффективности и т.д. В работе Falkenberg

С. рассмотрена одна из компоновок (конструкций гибридного коллектора) с водяным теплоносителем. В работе выполненной на кафедре ТМПУ (МЭР!) рассмотрены 4 компоновки гибридного коллектора с теплоносителем— воздух и сосредоточенным расположением фотоэлементов.

Вместе с тем, в этих работах не предложены зависимости по определению количества полезного тепла, вырабатываемого коллектором, и КПД в виде удобном для расчетов систем солнечного теплохладоснабжения. Не рассмотрено использование гибридных коллекторов применительно к установкам одновременной комбинированной выработки тепла и холода.

На основание анализа и изложенных выводов можно сформулировать задачи, которые поставлены и решаются в данной работе: -Провести анализ показателей комбинированных установок солнечного теплоснабжения в зависимости от ценовых и теплотехнических параметров.

-Провести исследование для определения регионов России с экономически выгодным использованием комбинированных установок солнечного теплоснабжения.

-Разработать расчетную модель гибридного солнечного коллектора ориентированной в первую очередь на определение его характеристик при долговременной (сезонной или годовой) работе. Использовать полученные зависимости для расчета показателей комбинированной установки солнечного теплохладоснабжения.

Во второй главе произведен выбор упрощенных моделей расчета предназначенных для определения количества солнечной радиации падающей на горизонтальную и наклонную поверхности. При наличии данных о продолжительности солнечного сияния наиболее точной является формула Ангстрема-Савинова. Вывод основан на сравнении ряда моделей с экспериментальными данными выполненным Топажом и Кюнкелем, а также данных регрессионного анализа, проведенного Хусейном и Раманами.

Особое внимание уделено определению доли диффузной радиации в значении суммарного прихода на горизонтальную поверхность и моделям пересчета найденной величины диффузной радиации при отклонении этой поверхности от горизонтальной.

Выбор модели расчета доли диффузной радиации основывался на сравнении, произведенном бразильской лабораторией ШЕБР, четырех методик: Люи и Джордона, Спенсера, Холанда и Орджила, Эрбса. Расчетными исследованиями установлено, что наилучшие результаты дает методика Люи и Джордана в период с мая по август, а в остальное время года методика Холанда и Орджила.

Для пересчета диффузной составляющей солнечной радиации с горизонтальной на наклонную поверхность предложено использовать анизотропную модель Рендела (ЯетШ). Данная модель уступает по точности

пересчета диффузной радиации модели Переза (Perez), но более проста и удобна в расчетах. Данные по точности моделей взяты по результатам сравнения их с экспериментальными измерениями, проведенными испанской лабораторией университета в Валадолиде. Сравнение производилось для десяти моделей, в том числе моделей Переза, Рендела и Люи и Джордана Наименьшую относительную погрешность при расчетах показывали модели Переза (0.78%) и Рендела (3.53%).

Отклонения в расчетах при определении суммарной солнечной радиации между наиболее часто применяемой формулой Люи и Джордана и новой формулой, учитывающей анизотропность распределения диффузной радиации по модели Рендела, может составлять 10-15% в зимний период. Отклонение растет с увеличением угла наклона поверхности. Расчет проводился для нескольких географических точек России с разной долей и значением диффузной составляющей солнечной радиации. В рамках проводимого анализа также можно отметить, что погрешность в летний период в несколько раз меньше, чем в зимний. Это связано с увеличением доли диффузной радиации в общей и уменьшении общего количества радиации в зимний период.

При расчетах систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения часто требуется определять не столько значение солнечно" нации приходящее

произведение этого значения на значение приведенной поглощающей способности. Значение приведенной поглощающей способности зависит от угла падения излучения, который отличается для различных составляющих солнечной радиации. Исследование области, в которой при вычислениях комплекса можно использовать только значение приведенной

поглощающей способности рассчитанное для летнего месяца с максимальным приходом солнечной радиации, осуществлено Бекманом и Даффи для модели пересчета солнечной радиации на наклонную поверхность, предложенной Люи и Джорданом.

В связи с изменением модели пересчета суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность, автором проведен анализ по влиянию приведенной поглощающей способности на значение комплекса Автором предложено использование следующих формул. С учетом влияния угла падения излучения на приведенную поглощающую способность:

на наклонную поверхность, сколько комплекс

представляющий

at-ftifc^ft-fcaМ

(l+/-sin3(/?/2))-

l+cos(ff) ' 2

+

Й1 + С05

r-P--J

и без учета влияния угла падения:

где ^ЛГ'—приведенная поглощающая способность при

угле падения солнечного излучения для прямой, диффузной, отраженной и прямой, в месяц с максимальным количеством солнечного излучения, радиации; Р и р—угол наклона поверхности и среднее альбедо поверхности земли;^—широта местности; Й и Я—суммарная солнечная радиация на горизонтальную и наклонную поверхность; Я^—диффузная радиация на горизонтальную поверхность; поправочный множитель определяющий распределение прямой составляющей солнечной радиации; / и А,— анизотропные коэффициенты модели Рендела.

В расчетах систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения с учетом определения приведенной поглощающей способности рекомендуется: для до 15° использовать упрощенный расчет в виде формулы (1), для | <рот 15° до 70° определять значения (гт)^ помесячно по формуле (1) с последующим суммированием, для | ф-р\ более 70° определять значения помесячно с последующим суммированием по формуле (2).

Третья глава посвящена экономическому анализу комбинированных систем солнечного теплоснабжения. В ходе анализа существующих методик расчета систем солнечного теплоснабжения, таких как: метод «используемости»; метод Ф, Г-графиков; методика Валова-Казанджана; программных продуктов ТЯШУБ, ве18о1аг 7.0, Шйк^ 1.0, Ро1увип 3.35; выбрана методика, предложенная Валовым-Казанджаном, как наиболее эффективная при решении поставленных задач.

Методика представлена в понятной и простой форме и требует минимальное количество исходных данных. Она учитывает экономическое влияние природоохранных и социальных мероприятий. Методика позволяет определить вариант, при котором годовой экономический эффект (годовая удельная экономия приведенных затрат) от внедрения установки будет максимальным. Вместе с тем, методика представлена в виде совокупности формул и номограмм, которые включают экономические параметры. В условиях изменившейся экономической ситуации использовать полученные номограммы не представляется возможным. Методика требует корректировки для приведения к форме удобной, как для ручного расчета, так и для расчета на ЭВМ.

На основании сказанного, методика была скорректирована и представлена в виде итерационной последовательности ряда формул. При корректировке модели и исследовании влияния параметров теплообменника гелиоконтура

был сделан вывод о необходимости повышения достоверности расчетов путем снижения погрешности при определении коэффициента дополнительных капитальных вложений, который характеризует долю капитальных вложений в бак-аккумулятор, теплообменник гелиоконтура, насосное оборудование, арматуру и элементы автоматики. Первоначально, коэффициент дополнительных капитальных вложений принимался постоянной величиной и выбирался из диапазона 1.05-1.2 в зависимости от тепловой нагрузки системы.

Автором предложено использовать следующую формулу для уточнения значения коэффициента дополнительных капитальных вложений:

где кти удельная стоимость теплообменника гелиоконтура и коллектора в 5/м2; ^—соотношение удельных стоимостей бака-аккумулятора и коллектора в м^/м3; (Попг. ^опх, (4)ош.— оптимальные параметры системы комбинированного солнечного теплоснабжения: объем бака-аккумулятора, площадь теплообменника гелиоконтура, площадь поверхности коллекторов; кп и М,—удельная стоимость единичной мощности насосов гелиоконтура в $/кВт и общая мощность насосов гелиоконтура в кВт; —удельная стоимость приборов отопления и дополнительная

площадь поверхности этих приборов.

В ходе расчетов установлено, что коэффициент дополнительных капитальных вложений может меняться в пределах 1.1-1.4. Его использование в виде постоянной величины, без уточнения значения в ходе расчета, приводит в некоторых случаях к ошибке в определении значения оптимального годового экономического эффекта в 20-25%.

Использование форм. (3) приводит к появлению дополнительного (второго) итерационного цикла в методике Валова-Казанджана, т.к. коэффициентом дополнительных капитальных вложений необходимо задаваться в самом начале расчета. Блок-схема скорректированной методики дана в работе. При расчетах рекомендуется использовать программные средства вычислительной техники

Скорректированная методика Валова-Казанджана использовалась для анализа влияния теплотехнических и ценовых параметров на основные показатели установки комбинированного солнечного теплоснабжения. В ходе расчета определялась максимальная годовая удельная экономия приведенных затрат (оптимального годового экономического эффекта) и соответствующие ей показатели установки: КПД, площадь солнечных коллекторов, объем бака-аккумулятора, площадь теплообменника гелиоконтура, расход теплоносителя гелиоконтура, коэффициент замещения, удельная экономия органического топлива.

В качестве объекта теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения) взято двухэтажное здание с площадью этажа 450 м2 и отопительной характеристжой 0.37 Вт/См"" °С).

Схема установки представлена на рис. 1. Данная схема относится к двухконтурным схемам, позволяющим поддерживать требуемые параметры теплоносителя у потребителя в течении всего года. Теплоносителем гелиоконтура выбран раствор этиленгликоля. За параметры солнечного коллектора взяты параметры коллекторов типа «Радуга-М» с сроком службы 20 лет и параметры коллектора типа КМЗ (Ковровского механического завода) с сроком службы 10 лет.

1—коллектор, 2—интегрированный бак-аккумулятор (с встроенными теплообменниками 1ВС и отопления), 3—теплообменник гелиоконтура, 4—насос гелиоконтура, 5—насос второго контура, 6—насос системы отопления. Рис. 1. Схема установки комбинированного солнечного теплоснабжения

Основным параметром, определяющим возможность применения систем комбинированного солнечного теплоснабжения, является удельная стоимость коллектора. Особенно важным является его соотношение с удельной стоимостью топлива, под которой подразумеваются замыкающие затраты у потребителя. На рис. 2 и 3 показаны зависимости оптимального годового экономического эффекта от удельных стоимостей топлива и коллектора при разных сроках службы.

На оптимальные показатели установки будут влиять в основном две величины характеризующие теплообменник гелиоконтура—удельная стоимость и коэффициент теплопередачи. Расчеты показывают, что КПД установки и объем бака-аккумулятора не зависят от этих параметров. Годовой экономический эффект незначительно уменьшается с увеличением удельной стоимости площади теплообменника. Так, при увеличении удельной стоимости в 2 раза величина годового экономического эффекта снижается на 1-5%. Увеличение коэффициента теплопередачи при условии ценовой сопоставимости теплообменников (одинаковой удельной стоимости) и при прочих равных условиях (постоянной температуре в баке-

2

горячее водоснабжение

аккумуляторе и постоянном температурном напоре в теплообменнике) приводит к увеличению оптимального годового экономического эффекта. Увеличение составляет в среднем 1-10% на каждые 200 ВтД&^С).

I.

р

1

\

\ \ \ \ \ \

1 \\ 1 \

1 V' \\

[

-80$^ -1(Шг -130$/г -150$Л-

30 50 80

Удельная стоимость коллектора, $/кв.м

Рис. 2. Зависимость оптимального годового экономического эффекта от удельной стоимости коллектора с 10-им сроком эксплуатации при различной удельной стоимости топлива

По сравнению с другими параметрами изменение стоимости электроэнергии оказывает слабое влияние на показатели системы комбинированного солнечного теплоснабжения. Так, повышение тарифов в 2 раза с 0,05 до 0,1 $/кВт*ч приводит к незначительному снижению оптимального годового экономического эффекта. В пределах 4-6% уменьшаются также и другие параметры.

В число начальных теплотехнических параметров, оказывающих влияние на характеристики системы солнечного теплоснабжения, входят: температура воды горячего водоснабжения на выходе, температуры прямой и обратной воды в сети отопления и теплоперепад в системе отопления. С уменьшением температуры воды горячего водоснабжения на выходе коэффициент замещения нагрузки растет, площади коллекторов и объем бака аккумулятора уменьшаются. Рост оптимального годового экономического эффекта составляет от 15-25% при понижении температуры на 15 °С (с 60°С до 45°С).

Более выгодным является снижение температур в сети отопления. В данном случае при снижении температуры на 10 °С (при постоянном теплоперепаде и доле нагрузки горячего водоснабжения (3=47%) рост годового экономического эффекта составляет 25-35%. Увеличение

температурного перепада в системе отопления с 10 до 20 °С при снижении площадей поверхности теплообменника гелиоконтура и площади коллектора и объема бака аккумулятора в пределах 5-12% ведет, как правило, ухудшению технико-экономических показателей (коэффициента замещения, КПД, годового экономического эффекта).

Рис. 3. Зависимость оптимального годового экономического эффекта от удельной стоимости коллектора с 20-им сроком эксплуатации при различной удельной стоимости топлива

В работе также рассматривалась экономическая целесообразность внедрения установок комбинированного теплоснабжения в различных регионах России. Возможность их применения для конкретного региона определяется рядом факторов: нагрузкой отопления и горячего водоснабжения, их соотношением, климатическими параметрами (количеством солнечной радиации, продолжительностью солнечного сияния, годовыми показателями температур и т.д.), формированием цен на энергоресурсы, что требует детального анализа в каждом конкретном случае. Общие тенденции возможности использования комбинированного солнечного теплоснабжения представлена для ряда регионов на рис.4.

Из этого графика видно, что применение систем солнечного теплоснабжения сильно зависит от полной стоимости топлива и его соотношения со стоимостью коллектора. Отмечено, что в районах с континентальным климатом (при равной солнечной инсоляции) годовой экономический эффект меньше или вообще применение солнечных систем

35

30

—•—100$Лг -»-170$/:

-*-310$/г

100 150 200 250 300

Удельная стоимость коллектора, $/кв и

теплоснабжения нецелесообразно экономически. Так, например, для коллекторов с 20-ем сроком эксплуатации, соотношение удельная стоимость топлива/удельная стоимость коллектора при котором система становиться конкурентоспособной с традиционными установками теплоснабжения для Европейской части России равна 1.1-1.2, а для Азиатской части— 1.2-1.3. На рис. 5. представлены результаты обобщения 32 расчетных географических точек для коллектора удельной стоимостью 100 $/м2 при удельной стоимости топлива 150 $/т.у.т.

10,000-,—--- г—-г------—т—

I !

9,000 }

f 8,000 {

!

ё 7,000 4!

» I £ б,ооо-|-

|[ 5,000 4*

| 4,000 +

§ 3,000--

^ 2,000!

1,000 -

I

I

0,000 I

100 110 120 130 140 190 180 170 180 190

удельная стоимость топливе, $/т.у.т.

-•-Улан-Уде -»-Краснодар

-»-Владивосток —Махачкала Самара

Рис. 4. Зависимость оптимального годового экономического эффекта от удельной стоимости топливадля разных регионов при стоимости коллектора 100$/M2

В четвертой главе рассмотрен воздушный гибридный солнечный коллектор, который одновременно может использоваться для получения тепловой и электрической энергии. Такой гибридный коллектор может применяться в солнечных установках совместно с парокомпрессионным кондиционером. Получаемая электрическая энергия с помощью инвертора доводиться до требуемого напряжения и используется для привода компрессора. Летом данная установка обеспечивает холодом и горячей водой потребителя, а зимой работает в качестве установки комбинированного теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения).

—л-ко Лз О 1 $/ГДж*год ИИ—Дз=1-2.5 $/ГДж*год; &;—Лг-=2.5-4 $/ГДж*год; Ш—Дз>4 $Д,Дж*год;

Рис. 5. Распределение величины оптимального годового экономического эффекта

В основном, указанные зстановки в зимний период используют только коллекторную часть, те работают как рассмотренные в третьей главе системы теплоснабжения

Единственное отличие коэффициент замещения и вычисляемые оптимальные параметры определяются для двух разных сезонов летнего и зимнего

ИЗОЛЯЦИЯ

Рис 6 Расчетный элемент солнечного гибридного коллектора и соответствующая ему тепловая схема

Для расчета был выбран гибридный солнечный коллектор с рассредоточенными фотоэлементами Расчетный элемент и его тепловая схема представлена на рис 6

Составлялось уравнение теплового баланса для элементов гибридного коллектора остекления, пластины, теплоносителя Уравнения решались совместно и приводились к виду типичному для обычного плоского коллектора Предлагаемое уравнение по определению полезно получаемого тепла имеет вид

бк-^Л^ */+«« <Г/,0 ~Та)\ (4)

где та, ту 0—температура окружающей среды и теплоносителя на входе в

гибридный солнечный коллектор С, Лк, и^— площадь и коэффициент

тепловых потерь гибридного солнечного коллектора, ае— доля поверхности занятая фотоэлементами, 77/ —приведенный к температуре теплоносителя КПД фотоэлементов

Новый параметр /у определяет поправку при использовании значения приведенного КПД фотоэлемента, определенного при температуре теплоносителя, а не при температуре пластины Влияние поправки /у на количество полезного тепла существенно при высоких значениях КПД фотоэлемента (более 25%), его сильной зависимости от температуры,

высоких значениях поглощенной солнечной радиации (,£>1000 Вт/м2 ) и температурах нагрева теплоносителя (7/>373 К). Погрешность расчета будет составлять от 2% до 45%.

При этом определялась погрешность определения в случае, когда он принимался как значения для тепловых плоских коллекторов. Погрешность при этом составляет около 3.5%. Погрешность расчета коэффициента полезного действия (теплового коэффициента) по сравнению с экспериментальными данными составила 4.7%.

На рис. 7. представлено сравнения эксергетического КПД теплового плоского коллектора и гибридного из которого видно, что эксергетический КПД гибридного коллектора будет в 2-3 раза выше, чем обычного теплового. Это связано с тем, что ценность получаемой электрической энергии близка к единице. При температуре в области более 100 °С эксергетические КПД коллекторов становятся сопоставимы друг с другом, что объясняется невозможностью работы фотоэлементов при высоких температурах. Оптимальная температура, при которой достигается максимальный эксергетический КПД у обоих коллекторов составляет порядка 50-75 °С.

Предложена комбинированная установка для целей теплохладоснабжения на основе гибридного солнечного коллектора и парокомпрессионного кондиционера. Представлены зависимости по определению экономии затрат между предлагаемым и традиционным вариантами.

Анализ результатов расчета экономии затрат солнечной комбинированной установки с гибридным коллектором показывает, что величина нагрузки на

охлаждение и теплоснабжение оказывают существенное влияние на величину отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора. Для небольших площадей зданий это отношение должно быть около 2-3. С ростом нагрузки величина этого отношения уменьшается. Так как при расчетах принималось, что при традиционном варианте часть тепловой нагрузки обеспечивает кондиционер, то графики зависимостей сдвинуты относительно нулевой площади гибридного солнечного коллектора

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Рекомендуется в расчетах систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения при определении количества падающей на коллектор солнечной радиации использовать: дая \(р~р\ до 15° упрощенный расчет в виде формулы (1), дая \(р-р\ от 15° до 70° определять значения )н помесячно по формре (1) с последующим суммированием, а для | более 70° определять значения помесячно с последующим суммированием по формуле (2).

2. Доказано, что возможность применения систем солнечного теплоснабжения сильно зависит от полной стоимости (При увеличении в 2 раза удельной стоимости топлива оптимальный годовой экономический эффект увеличивается в 2-4 раза при постоянной удельной стоимости коллектора). Отмечено, что в районах с континентальным климатом (при равной солнечной инсоляции) годовой экономический эффект меньше или вообще применение солнечных систем теплоснабжения нецелесообразно экономически

3. Показано, что установки комбинированного солнечного теплоснабжения становятся конкурентоспособными при соотношении: удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора равному примерно 1.0-1.1 для систем с коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и примерно 1.1-1.3 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации. Для установок круглогодичного горячего водоснабжения эти значения будут равны: 0.8-0.9 для систем с коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и 1.0-1.1 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации.

4. Проведено исследование показателей комбинированных установок теплоснабжения в зависимости от теплотехнических и ценовых параметров. Определены параметры, которые оказывают существенное влияние (более 10%) на значение оптимального годового экономического эффекта (стоимость топлива, стоимость коллектора, температура горячей воды (ГВС) на выходе, температура прямой и обратной воды в сети отопления и теплоперепад в системе отопления) и те, которые оказывают

не существенное воздействие (стоимость электроэнергии, удельная стоимость теплообменника гелиоконтура).

5. Для ряда регионов России составлена карта районирования для отношения удельная стоимость топлива/ удельная стоимость коллектора 1.5. Установлено, что применение комбинированных установок солнечного теплоснабжения будет экономически оправданным для регионов юга европейской части России: Краснодарский и Ставропольский край, республики: Дагестан, Осетия, Карачаево-Черкеская, Кабардино-Балкарская. А с учетом внутрирайонного распределения топлива, к благоприятным областям можно будет отнести некоторый районы в республиках Алтай, Тыва, Бурятия, Читинской области и южных областей Дальнего Востока.

6. Предложены расчетные зависимости, основанные на тепловом балансе гибридного солнечного коллектора, для определения количества полезно получаемого тепла и эксергетического КПД гибридного коллектора. Погрешность расчетов по предложенным формулам при сравнении с экспериментальными данными составляет около 4.67-5.7%.

7. Установлено, что величины нагрузок на охлаждение и теплоснабжения для комбинированной установки с гибридным коллектором оказывают существенное влияние на величину отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора. Для небольших площадей зданий (10-50 м2) это отношение, как показано в разделе 4.6 диссертации, должно быть около 2-3. С ростом нагрузки на охлаждение величина этого отношения уменьшается и для зданий с площадью 300-400 м достигает значений 1.3-1.4..

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях;

1. Ратников А.Н., Калинин Н.В. Использование солнечной энергии для получения тепла и холода // Научно-практическая конференция «Наука-технологии-производство-рынок»: Тез. докл., -Смоленск, 2000. -С. 12-14.

2. Ратников А.Н., Калинин Н.В., Мотулевич В.П. Оценка количества солнечного излучения с учетом анизотропности диффузной радиации и различных положений солнечного коллектора // 7-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -М., 2001. -том 3.-С.69-70.

3. Ратников А.Н., Калинин Н.В. Технико-экономические показатели солнечных кондиционеров // 8-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -М., 2002. -том 3. -С.59.

У/Я557 , м2^

РШ 14470.

4. Ратников А.Н., Калинин Н.В. Оценка экономического эффекта солнечного кондиционера // Труды первой всероссийской Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение -теория и практика»: докл., -М, 2002, -С. 197-199.

5. Ратников А.Н., Калинин Н.В., Мартынов А.В. Разработка гаммы автономных источников тепла для отопления и горячего водоснабжения аудиторий и объектов образовательной среды: Отчет о НИР /МЭИ. -Инв. №1031010. -М., 2002. -130 с.

6. Ратников А.Н., Калинин Н.В., Ушакова М.В. Влияние стоимостных и технологических параметров на экономическую эффективность установок солнечного теплоснабжения // 9-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -М., 2003. -том 2. -С. 331— 332.

7. Ратников А.Н., Калинин Н.В. Влияние параметров установок солнечного теплоснабжения на основные показатели системы // 1-я интернациональная конференция по энергетической эффективности: докл. 25-26 мая 2003 г., -Алжир, 2003, - том 2. - С.101-106. -На анг. яз.

8. Ратников А.Н., Калинин Н.В. Экономическая целесообразность применения установок солнечного теплоснабжения в России // Материалы докладов научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федеративного округа»: докл., -Смоленск, 2003, -том 2. -С. 3-6.

9. Ратников А.Н., Калинин Н.В., Ушакова М.Е. Оптимальные энергетические показатели фотоэлемента при его работе в составе гибридного солнечного коллектора // 10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -М., 2004. -том 2. -С.404-405.

10.Использование солнечной энергии для теплоснабжения рабочих посежов в отдаленных районах / Ратников А.Н., Мотулевич В.П., Калинин Н В, Тимакова О.В. //Горный журнал. -2004. -спец. выпуск. -С. 112-114.

Подписано в печать<\С>Л ч4"3ак. -1 Тир. Пл. Л ^^ Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1. Обзор современных способов получения тепла и холода с помощью солнечной энергии.

1.1. Системы солнечного теплоснабжения

1.1.1. Анализ существующих схемных решений систем солнечного теплоснабжения.

1.1.2. Условия применения систем солнечного теплоснабжения в России.

1.2. Технологии получения холода.

1.2.1. Технология на основе парокомпрессионных холодильных машин.

1.2.2. Радиационное охлаждение.

1.2.3. Технология с применением струйных трансформаторов тепла.

1.2.4. Адсорбционная закрытая технология.

1.2.5. Химические реакторы герметичного типа.

1.2.6. Абсорбционная закрытая технология.

1.2.7. Системы с разомкнутым циклом. Испарительное охлаждение.

1.3 Выводы.

Глава 2. Выбор модели расчета солнечной радиации.

2.1. Определение количества солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность.

2.2. Выбор модели расчета количества солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность.

Глава 3. Технико-экономические показатели систем солнечного теплоснабжения с учетом современных экономических тенденций.

3.1. Анализ моделей расчета систем солнечного теплоснабжения.

3.2. Анализ влияния экономических факторов и исходных параметров на основные показатели системы.

3.3. Выводы о возможности применения систем солнечного теплоснабжения в России.

Глава 4. Солнечный кондиционер на основе гибридного солнечного коллектора.

4.1.Полезная мощность и КПД фотоэлемента.

4.2 Тепловой баланс гибридного коллектора.

4.3. Коэффициент отвода тепла гибридного коллектора.

4.4. Показатели эффективности гибридного коллектора.

4.5. Солнечная установка на основе гибридного коллектора.

4.6. Эконоия приведенных затрат комбинированной установки тепло-хлад оснабжения.

Заключительные выводы по работе.

Список литратуры, приложения.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Н1 — количество солнечной радиации падающие на горизонтальную поверхность, Вт/м2;

Н — количество солнечной радиации падающие на наклонную поверхность, Вт/м2; от) - приведенная поглощающая способность коллектора;

Р и q> - угол наклона солнечного коллектора и географическая широта местности;

Qt — тепловая нагрузка объекта, ГДж;

Qu - полезное количество теплоты выработанное коллектором, Вт;

Та - температура окружающей среды, К;

Fr - коэффициент расхода солнечного коллектора;

А к — площадь поверхности солнечного коллектора, м2; rjt - КПД (тепловой коэффициент) солнечного коллектора; т]е — электрический КПД гибридного солнечного коллектора;

7]ж — эксергетический КПД коллектора;

V — объем бака-аккумулятора, м3;

7]уст — КПД комбинированной установки; - коэффициент замещения тепловой нагрузки установки; АЬ-удельная экономия органического топлива, т/(м2-год); кк - удельная стоимость солнечного коллектора, $/м2;

3* — удельная стоимость топлива замещаемого источника теплоснабжения, $/т.у.т.; со - коэффициент дополнительных капитальных вложений в установку; Аз - удельная годовая экономия приведенных затрат, $/ГДж; A3 - годовая экономия затрат, $;

Актуальность работы. В последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Несмотря на то что исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии человечеству в ближайшее время не грозит, сам факт, что они не возобновляемые не может не беспокоить. Атомная энергия встречает активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий и последующим радиационным радиоактивным загрязнением больших территорий. Поэтому, говоря о перспективной стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна опираться в основном на НВИЭ.

Другим фактором стимулирующим внедрение НВИЭ является возможность торговли квотами на выбросы парниковых газов ( СО2, СН4 и др.), после принятого в Японии в декабре 1997 г. «Киотского протокола».

Немаловажным является и поддержка в ряде стран «Зеленых проектов» их правительствами, связанная с недостатком природного топлива.

Установки на НВИЭ дают около 18%(2000 г.) всей энергии в мире, причем большая часть приходится на гидроресурсы и биомассу. Тройку лидеров возглавляют Исландия (64.5%), Норвегия (49.0%) и Новая Зеландия (32.2%). Доля НВИЭ в промышленно развитых странах как правило невысока: США—7.2%, Япония—3.5%, Германия—2.3%, Англия—0.7% (на 1997 г.)[1].

Ресурсы НВИЭ в России довольно велики. Только их потенциал, предназначенный для первоочередного использования составляет в общей сложности 273.5 млн. т.у.т./год или Ул часть потребления топливно-энергетических ресурсов в стране. (Малая гидроэнергетика—62.5, геоэнергия—115, энергия биомассы—35, ветровая энергия—10, солнечная— 12.5, тепло низкого потенциала—36 млн. т.у.т./год) Однако доля использования НВИЭ незначительна (менее 1%) и составляет 1.5 млн. т.у.т./год .[2]

В числе причин, тормозящих развитие НВИЭ в России названо, в частности: отсутствие поддержки на государственном и региональных уровнях в виде дотаций или беспроцентных кредитов внедряющим организациям, как это делается за рубежом, не учет экологического ущерба от традиционных топлив в установках производства энергии, низкие мировые цены на органическое топливо (так цены на газ у нас в 8-10 раз ниже , чем на мировом рынке), недостаток финансирования разработок НВИЭ (бюджетные ассигнования в атомную энергетику в 13 раз, в термоядерный синтез в 2.6 раз в энергосбережение в 2.8 раз, в ископаемые топлива в 2 раза больше, чем в НВИЭ не считая гидроэнергии (на 1997г.) ).

Так, по программе РУ-СОМРАСТ(США) в штате Виржиния производители, продающим солнечные элементы, получают грант на 0.75$/кВт. BEW, Германия, предоставляет субвенции для солнечных коллекторных устройств с площадью более 4 м от

225—650 франк/м (10% стоимости). Субсидии в Швейцарии составляют 50-117 франк/м гелиоприемника.

Проводятся мероприятия по ознакомлению общественности с солнечными домами: США (42 штата, 700 сол. домов, 12 тыс. посетителей), Швейцария (2 телекомпании, 30 радиостанций, 74 газеты и журнала).

Ассигнования на исследования и разработку в области НВИЭ в США, Японии, Германии, Италии, Нидерландах, Дании, Швеции затрачивается 1$ (США) на жителя страны.

Однако перечисленные выше меры являются недостаточными, т.к. основным фактором препятствующим активному использованию НВИЭ является экономический. Увеличение тарифов на электроэнергию и тепло не дает успеха в борьбе за потребителя на конкурентном рынке. В связи с этим западные компании обратились к той части потребителей, которые согласны покупать более дорогую энергию (не обязательно именно от установки с НВИЭ), если дополнительная плата пойдет на стимулирование НВИЭ.

К сожалению, говорить о возможности распространения подобной идеи в России пока рано. Но при реализации концепции развития НВИЭ исходят из следующих положений:

1. Многие регионы России (Алтай, Дальний Восток и др.) находятся в зонах децентрализованного электро- и теплоснабжения. Из-за низкой плотности населения, сооружение ТЭЦ и КЭС экономически невыгодно, как и прокладка линий электропередач или газовых трубопроводов. Стоимость доставки сюда дизельного топлива может достигать астрономических сумм. Устойчивое электро- и теплохладоснабжение может быть обеспечено сочетанием традиционных и нетрадиционных источников энергии.

2. В некоторых зонах централизованного снабжение возникают частые отключения районных потребителей. Все это приводит к значительным потерям в сельском хозяйстве. В этих регионах нетрадиционные источники смогли бы играть роль резервных.

3. В ряде городов и мест массового отдыха населения предъявляются особые требования к чистоте окружающей среды. В этих местах получение тепла и холода с помощью НВИЭ является предпочтительным, если не единственным способом.

4. Во всех регионах страны существует проблема отопления (иногда и охлаждения) мест временной работы и отдыха, дачных комплексов и получения горячей воды для бытовых нужд. До 50% этих потребностей может быть удовлетворено за счет НВИЭ.

Солнечная энергия имеет широкий спектр использования. Наиболее приоритетными являются получение электроэнергии с помощью фотоэлектрических батарей, тепла и холода для кондиционирования, солнечная сельскохозяйственная и промышленная сушка. В ряде районов солнечная энергия может использоваться для дистилляции и «привода» солнечных кухонь.

На нужды теплохладоснабжения сегодня в мире тратится около 25-30% всего органического топлива. Поэтому внедрение установок на НВИЭ, и в частности энергии солнца—особенно эффективной при использовании на низкотемпературном уровне -, более чем желательно.

Системы создания комфортных условий в помещении с помощью энергии солнца можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные, которые для сбора и распределения используют архитектурные и строительные элементы здания, с минимумом инженерного и гелиотехнического оборудования. Они могут выполнятся по разным схемам: тепловые стены, остекленные проемы с избирательной проницаемостью солнечного излучения, здания с буферными зонами и применением тепла замораживания воды. Анализ проведенный Тарнижевским для схемы с тепловой стеной Тромба показал, что использование систем пассивного солнечного отопления целесообразно южнее 55-56° с.ш. При этом коэффициент замещения будет как правило менее 30%, а срок окупаемости от 3 до 6 лет[4].

Однако, пассивным системам присущ ряд недостатков:

1. Более жесткая, чем у активных климатическая и географическая привязка. Каждому «солнечному дому» свойственен свой проект сооружения.

2. В большинстве случаев невозможность модернизации традиционных систем теплохладоснабжения в пассивные солнечные уже существующих зданий.

3. Труднее по сравнению с активными поддаются регулированию и автоматизации

4. В ряде случаев необходимо иметь определенный архитектурно-эстетический вид здания.

Именно по этим причинам активные солнечные системы теплохладоснабжения применяются чаще.

Идет непрерывная работа в области исследования процессов, выявления возможностей повышения эффективности, создание новых элементов систем солнечного теплоснабжения. Каждый раз говоря о возможности применения системы солнечного теплоснабжения необходимо определять экономическую целесообразность ее внедрения. Это связано с тем, что для многих стран (стран Европы, США, России, Япония) основным фактором, препятствующим активному использованию НВИЭ, является экономический. Определение районов, в которых использование установок солнечного теплоснабжения выгодно или будет выгодно при определенных условиях, осложняется сильной зависимостью энергетической эффективности таких установок от климатических параметров местности, в которой они применяются, и текущих цен на оборудование и тарифов на энергоресурсы. Работ посвященных экономическому анализу немного. Необходимы дополнительные исследования, особенно систем комбинированного солнечного теплоснабжения (одновременного отопления и горячего водоснабжения), в зависимости от теплотехнических и ценовых параметров.

Применение гибридных солнечных коллекторов, позволяющих одновременно получать два вида энергии: электрическую и тепловую, способствует увеличению эффективности преобразования солнечной энергии. Будет целесообразным использование гибридных солнечных коллекторов в комбинированных установках теплохладоснабжения для одновременного получения тепла и холода. Существует ряд работ посвященных данной тематике. В тоже время требуются дополнительные исследования параметров гибридных коллекторов и созданных на их основе установок комбинированного теплохладоснабжения, в том числе и по экономической возможности применения.

Цель работы. Исследование показателей комбинированных установок теплоснабжения (получения теплоты разных потенциалов для отопления и горячего водоснабжения) и теплохладоснабжения (одновременного получения тепла и холода), предназначенных для получения тепла и холода с помощью солнечной энергии.

Научная новизна. Предложены зависимости пересчета количества радиации, поглощаемой поверхностью плоского солнечного коллектора, с горизонтальной на наклонную поверхность, с учетом анизотропности диффузной составляющей общей радиации и приведенной поглощающей способности.

Скорректированная на основании работ Валова и Казанджана методика расчета систем солнечного теплоснабжения позволяет уменьшить погрешность определения максимально достижимой удельной экономии приведенных затрат комбинированной установки. Предложена зависимость для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений, которая повышает точность определения оптимальных параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения (площадь солнечных коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя в гелиоконтуре, площадь теплообменника гелиоконтура, максимально достижимую удельную экономию приведенных затрат), что является необходимым фактором в условиях рыночной экономики

Составлен прогноз развития и применения комбинированных установок солнечного теплоснабжения для различных регионов России. Установлена экономическая целесообразность применения этих установок по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость коллектора для различных типов солнечных коллекторов. Определены теплотехнические и ценовые параметры, которые оказывают существенное влияние на показатели установки и те, влияние которых мало.

Предложены зависимости для определения КПД и количества полезно получаемой теплоты гибридного воздушного коллектора. Автором предложена оригинальная схема комбинированной установки с гибридным коллектором для получения тепла и холода. Установлена экономическая целесообразность применения установки по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость гибридного коллектора.

Практическая ценность. Использование установок комбинированного солнечного теплохладоснабжения является одним из способов энергосбережения и не наносит непосредственного ущерба окружающей среде. Представленная методика и полученные результаты работы могут быть использованы проектировщиками и исследователями в качестве вспомогательного материала при расчетах комбинированных систем солнечного тепло- и (или) хладоснабжения

Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе «Разработка гаммы автономных источников тепла для отопления и горячего водоснабжения аудиторий и объектов образовательной среды» по теме №1031010, -М, 2002.

По материалам диссертации подготовлено учебное пособие «Солнечное тепло- и хладоснабжение и ветроэнергетические установки», в котором излагаются вопросы использования солнечной радиации и энергии ветра для широкого круга потребителей. Отдельные разделы диссертации использованы в лекционном курсе «Нетрадиционные источники энергии».

Автор защищает:

-предложенную формулу пересчета общего количества солнечной радиации на наклонную поверхность с учетом анизотропного распределения ее диффузной составляющей.

-результаты анализа влияния стоимостных и теплотехнических параметров на основные показатели комбинированных установок солнечного теплоснабжения.

-результаты расчетов максимально возможной удельной экономии годовых приведенных затрат установок комбинированного солнечного теплоснабжения для различных географических регионов России.

-полученные аналитические зависимости и результаты анализа гибридного коллектора и системы комбинированного теплохладоснабжения на основе парокомпрессионного кондиционера.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 27-28 2001 г и 28 февраля-1 марта 2002 г.), всероссийской научно-методической конференции «Научные основы федерально-региональной политики в области образования» (г. Владимир, 58 февраля 2002 г.), научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федеративного округа» (г. Смоленск, декабрь 2003 г.); опубликованы и представлены на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2002 г.), 1-й между- народной конференции по энергосбережению (г. Алжир, 25-26 мая 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации были изложены в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 83 наименований и приложений.

Заключительные выводы по работе.

1. На основании анализа различных способов получения холода можно предполагать, что перспективными направлениями для целей комбинированного теплохладоснабжения будут решения с использованием гибридного коллектора и теплонасосной установки в области невысоких значений холодильной нагрузки. При высоких нагрузках на охлаждения, на первое место выйдут установки с абсорбционной технологией получения холода.

2. Предлагаемая формула пересчета солнечной радиации на наклонную поверхность (2.9) позволяет более точно определить количество солнечной радиации, падающее на наклонную поверхность, особенно для коллекторов устанавливаемых в крайних положениях (например, вертикальных) для солнечных установок работающих в холодный период года и регионов с высоким отношением диффузной радиации к общей.

помесячно с последующим суммированием по формуле (2.10). 4. Скорректированная методика расчета комбинированных систем солнечного теплоснабжения позволяет с большей достоверностью определять максимально возможную экономию приведенных затрат и

значения

помесячно с последующим суммированием по

определять для данного варианта основные показатели установки: КПД, коэффициент замещения тепловой нагрузки, площадь коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя гелиоконтура, площадь поверхности теплообменника гелиоконтура и т.д. Методика может быть реализована программно на ЭВМ, или может использоваться для ручного счета с применением программных продуктов типа Mathcad.

5. Предложенная формула для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений (3.26) повышает точность определения оптимального годового экономического эффекта и соответствующих ему параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения в зависимости от соотношения стоимость коллектора топлива /удельная стоимость коллектора на 0.1-25%.

6. Возможность применения систем солнечного теплоснабжения сильно зависит от удельной стоимости топлива (Ориентировочно, при увеличении в 2 раза удельной стоимости топлива оптимальный годовой экономический эффект увеличивается в 2-4 раза при постоянной удельной стоимости коллектора. Порядок увеличения зависит от значения удельной стоимости коллектора). Отмечено, что в районах с континентальным климатом (при равной солнечной инсоляции) годовой экономический эффект меньше или вообще применение комбинированных солнечных систем теплоснабжения нецелесообразно экономически.

7. Показано, что установки комбинированного солнечного теплоснабжения становятся конкурентоспособными при соотношении: удельная стоимость топлива/ удельная стоимость коллектора равному примерно 1.0-1.1 для систем с коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и примерно 1.1-1.3 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации. Для установок круглогодичного горячего водоснабжения эти значения будут равны: 0.8-0.9 для систем с

коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и 1.0-1.1 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации.

8. На основе скорректированной методики расчета определены параметры, которые оказывают существенное влияние на значение оптимального годового экономического эффекта (стоимость топлива, стоимость коллектора, температура горячей воды (ГВС) на выходе, температура прямой и обратной воды в сети отопления и теплоперепад в системе отопления) и те, которые оказывают не существенное воздействие (стоимость электроэнергии, удельная стоимость и коэффициент теплопередачи теплообменника гелиоконтура). Под существенным будем подразумевать влияние, при котором изменение оптимального годового экономического эффекта и соответствующих ему показателей установки составляет менее 10% во всем рассматриваемом диапазоне отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора (0.5-3.0).

9. На основании расчетов для ряда регионов России составлена карта районирования для отношения удельная стоимость коллектора/ удельная стоимость топлива 1.5. На основании карты можно судить что благоприятными областями будут регионы на юге европейской части России: Краснодарский и Ставропольский край, республики: Дагестан, Осетия, Карачаево-Черкеская, Кабардино-Балкарская. Также высокий годовой экономический эффект (более 2.5 $/ГДж*год) будет в южных районах Ростовской и Астраханской областей, и юге республики Калмыкия, в ряде районов Приморского и Хабаровского краев. С учетом внутрирайонного распределения топлива, к благоприятным областям можно будит отнести некоторый районы в республиках Алтай, Тыва, Бурятия, Читинской области.

10. Предложены расчетные зависимости основанные на тепловом балансе гибридного солнечного коллектора для определения количества полезно получаемого тепла и эксергетического КПД

гибридного коллектора. Погрешность расчетов по предложенным формулам при сравнении с экспериментальными данными составляет оставляет 4.67-5.7%.

11. Определенные для солнечного гибридного коллектора параметры эффективности: тепловой коэффициент и эксергетический КПД показывают, что энергетическая эффективность гибридного коллектора по ценности получаемых продуктов в 2-3 раза выше, чем для обычного не гибридного (теплового) коллектора. В тоже время тепловой коэффициент гибридного коллектора с учетом условия сопоставимости (одинаковом количестве падающей радиации и температуре теплоносителя у потребителя) ниже, чем у обычного.

12. Предложена комбинированная установка для целей теплохладоснабжения на основе гибридного солнечного коллектора и парокомпрессионного кондиционера. Представлены зависимости определение экономии затрат между предлагаемым и традиционным вариантом.

13. Из анализа результатов экономического анализа видно, что величины нагрузок на охлаждение и теплоснабжения для комбинированной установки с гибридным коллектором оказывают существенное влияние на величину отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора. Для небольших площадей (10-50 м2) зданий это отношение должно быть порядка 2-3. С ростом нагрузки охлаждения величина этого отношения уменьшается и для зданий с площадью 300-400 м достигает значения 1.3-1.4.

1. 1. Deutschland nor // TGA-Mag-1997. - vol. 17, №5. -C. 4.

2. Монахова H. Международный конгресс по нетрадиционной энергетике // Энергия. Экономика. Техника. Экология. -2000. —№2. -С. 10-12.

3. Козлов В., Хеккила М. Использование возобновляемых источников энергии в рыночных условиях // Теплоэнергетика. -2000. №2. -С. 64-67.

4. Тарнижевский Б.В. Эффективность пассивных систем солнечного отопления в климатических условиях России // Теплоэнергетика. — 2000. -№1. -С. 14-17.

5. Даффи Дж., Бекман У. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -М.: Мир, 1977, 440 с.

6. Hahnc F., Panschinger Т. Kombianlangen im Vergleich // Sonnenenerg und Warmepompe. 1997.-№3. -C. 19-23.

7. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. -М.: Энергоиздат, 1980.

8. Технико-экономические характеристики солнечной энергетики на основе фотоэлектрических установок /под ред. Виссарионова В.И. — М.: Из-во МЭИ, 1997, 55 с.

9. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. — 1996.-№5. — С. 15-18.

10. Fisch M.N. Die thermishe Nutzung der Sonnnenenergie MKZ-Haustechn. -1998.—№3. C.51-59.

11. Валов М.И., Казанджан Б.И. Системы солнечного теплоснабжения. -М.: Из-во МЭИ, 1991, 138 с.12.0хара Э., Ямид Т. Система тепло- и хладоснабжения солнечного дома «Аясэ».// Рэйто, -1980. -vol. 55, №635. С. 777-787.

12. Везиришвили О., Меладзе Н. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабже-ния. -М.: Из-во «МЭИ», 1994, 156 с.150H.Iloeje О. Solar energy refrigeration // Renewable Energy WREC VI: part II. -2000. -C. 975-981.

13. Falkenberg C., Bastos L. Thermal analysis of a hybrid solar collector // Renewable Energy WREC VI: part II. 2000. -C. 1083-1086.

14. Garg H., Adhikari R. Present status and trends on the development of hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) system // Renewable Energy WREC VI: part II. 2000. -C. 946-952.

15. Gard H, Adhikari R. Studies on cost effectiveness of hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) air heating collector // Renewable Energy WREC VI: part II. 2000. - C. 1098-1101.

16. Харченко H. В. Индивидуальные солнечные установки. -M.: Энергоиздат, 1991, 208 с.

17. Сильман М. А., Шумелишский М. Г. Пароводяные эжекторные холодильные машины. -М.: Легкая промышленность, 1984, 270 с.

18. Холодильные машины / под. Ред. Тимофеевского JI. С. -Спб.: Политехника, 1997, 990 с.

19. Щетинина И., Петренко В. Экспериментальное исследование гелиоэжекторной фреоновой холодильной машины // Гелиотехника. — 1987.-№3.-С. 66-68.

20. Huanng В., Petrenko V. A study of ejector refrigeration system design for solar cooling application // Renewable Energy WREC VI: part II. 2000. -C. 1052-1055.

21. Захаров Ю., Андреев JI., Шостак В. О рациональном типе судовой машины для кондиционирования воздуха // Холодильная техника. — 1969. -№8.- С. 6-12.

22. Guilleminot J. Machines frigorifiques a adsorption solid // Revue generale du froid. 1993. -vol. 83, №3. -C. 46-52.

23. Critoph R. Rapid cycling solar/biomass powered adsorption refrigeration system // Renewable Energy WREC VI: part II. 2000. -C. 959-964.

24. Etude experimentale de trios a glace solaire a adsorption / Boubakri A. et all. // Revue generale du froid. -1993. -vol. 83, №10. -C. 44-47.

25. Michaelid I. Solar refrigeration system Zeolite-water // Commonweal Science Council Expert Group Meting en Solar Cooling for food preservation. 1980. -№6. -C. 56-59.

26. Adell J. Descriptif du procede STELF // Revue generale du froid. — 1992. -vol. 82, №4. -C. 24-32.

27. Шадыев С. Результаты испытания солнечной холодильной установки // Гелиотехника. — 1985. -№2. -С. 68-69.

28. Mazet N., Spinner В. Analyse systemes des machines a froid a sorption chimique solid-gaz // Revue generale du froid. -1993. -vol. 83, №3. -C. 39-45.

29. Орехов И., Тимофеевский JI., Караван С. Абсорбционные преобразователи теплоты. -JL: Химия, 1989, 208 с.

30. Eissa Mohamed, Abdel Wahab, Design of thermodynamic charts for hydrocarbon mixtures and influence of operating temperatures for solar absorption cooling cycle // Energy sources. -1997. -vol. 19, №8. -C. 887900.

31. Солнечный абсорбционный холодильник на новом растворе / Вахидов Т. и др. // Гелиотехника. -1991. -№3. -С. 3-5.

32. Malik I. Economic feasibility and performance study of a solar-powered absorption cycle using some aqueous salt solutions // Trans. ASME J. Sol. Eng. -1997. -vol. 119, №1. -C. 31-34.

33. Гросман Э., Наумов С., Шаврин В. Универсальный абсорбционный термотрансформатор для систем теплохладоснабжения с использованием солнечной энергии // Гелиотехника. -1991. -№1. — С. 60-65.

34. Robison H.Liquid sorbets solar air conditioner // Alternative energy sources. -1978. -№2. C. 761-779.

35. Гросман Э., Свердлова О., Толтых Н. Анализ результатов опытной эксплуатации холодильной машины с открытым солнечным генератором // Сб. Практика проектирования и эксплуатации систем солнечного тепло- и хладоснабжения. -JL: Энергоиздат, 1989,48 с.

36. Какабаев А., Язханова X. Экспериментальное исследование процессов осушения и охлаждения воздуха в солнечном кондиционере-водонагревателе // Гелиотехника. -1991. -№4. -С. 5761.

37. Байрамов Р., Ушакова А. Системы солнечного теплохладоснабжения в энергетическом балансе южных районов страны. -Ашхабад: ЫЛЫМ, 1987, 216 с.

38. Karbach A., Fischer Н., Niebeling D. Solare Kuhlung: Erneuerbare Energien Moglichst Effizient Nutzen // HLH: Heizund, Luftung/Klima, Haustechn. -1997. -vol. 48, №10. -C. 46-50.

39. Самер M.A. Арикат. Гибридная система тепло и электроснабжения применительно к жилому сектору Иордании: Дис. канд. техн. наук на соискание степени к.т.н. -М., МЭИ, 2001. -138 с.

40. Gossel A. Solarthermische Klimatesierung der Stand der Technik // Sonnenenerg. Und Warmetechn. -1997. -№6. -C. 32-35.

41. Skiba M., Mohr M. A simple model for estimation monthly mean daily sums of solar irradiation and its local distribution// IntJ. Energy Res., — 1997. -vol. 21 №2. -С. 1145-1155.

42. Alnaser V., Al-Attar R. Simple model for estimatiny the total, diffuse, direct and normal solar irradiation in Bahrain// Renawable Energy. -1999. -vol. 18, №3.-C. 417-434.

43. Байрамов В. Влияние метеорологических факторов на поступление солнечной радиации // Межд. научно-практич. конф. «Человек-Среда-Вселенная»: тез. докл., Иркутск, 1997.

44. Mort, Heinrich. The stochastic two-state solar irradiance model (STSIM) // Solar Energy. -1998. -vol. 62, №2.И -С. 101-112.

45. Vida, Foyo-Moreno, Alados-Arbolados Performance validation of MURAC, a cloudless sky radiance model proposal // Energy. -1998. -vol. 24 №8.-C. 705-721.

46. Трембан B.B. Математическое моделирование распределения потоков солнечного излучения на поверхности Земли. -М.: Энергоатомиздат, 2000.

47. Топаж А., Кюнкель К. Сравнение методов оценки суточных сумм приходящей радиации по гелиографическим измерениям // Гелиотехника. -1998. -№3. -С. 64-72.

48. Расчет ресурсов солнечной энергетики // учеб. Пособие под. ред Виссарионова В -М.: Из-во МЭИ, 1998.

49. Хайриддинов Б., Ким В.,Холлиев Б. Определение косвенными методами поступления солнечной радиации в условиях Кашкадарской области // Гелиотехника. -1998. -№3. -С. 34-37.

50. Chaves М., Escobedo J. Evaluation of models to estimate average hourly direct from Hourly global solar radiation // Renewable Energy: World Renewable Energy Congress VI: vol. 4, 2000. -C. 2485-2488.

51. Reindl D., Beckman W., Duffie J. Diffuse fraction correlation // Solar Energy. -1990. -vol. 45 №1. -C. 72-74.

52. Галканов А. Информационное обеспечение в расчетах солнечной радиации //Гелиотехника. -1998. -№6. -С. 72-74.

53. Bildao J.,Miguel A., Diez-Mediavilla М. Measurements and models to evaluate diffuse solar irradiance over tilted surfaces in Spain // Renewable Energy: World Renewable Energy Congress VI: vol. 4, 2000. -c. 25352538.

54. Pohlen S., Ruck В., Bittar A. Evaluation of the Perez luminous affiance model for a southern hemisphere site (New Zealand)// Solar Energy. -1996. -vol. 57, №4. -C. 302-315.

55. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения: Пер. с анг. -М.: Энергоиздат, 1982.

56. Метод расчета солнечных водонагревателей./ Использование солнечной энергии / АН СССР. -1957. -№1.-С. 177-201.

57. Klein S. A., et all. Transient simulation program. Engineering experimen station // Report №38, University of Wisconsin. -Madison: 1974, 16 c.

58. Klein S. A., Beckman W. A. A general design method for closed loop-solar energy systems // Solar energy. -1979. -vol. 22, №14. -C. 269-282.

59. Investigations on optimizing large solar thermal systems / Krause M., Vajen K., Wiese F., Ackermann H. // Solar Energy. -2002. -vol. 73 №4. -C. 217-225.

60. Andres A., Carrillo C., Lopez J.M. Cejudo TRNSYS model of a thermosiphon solar domestic water heater with a horizontal store and mantle heat exchanger // Solar Energy. -2002. -vol. 72 №2. -C. 89-98.

61. Anlagenplanung am Computer // Sonne Wind und Warme. -2002. -№10. -C.33-39.

62. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М.: В 4 т. -М., Энергоатомиздат. — 1991.-Т. 4.

63. Валов М.И., Горшков Б.Н., Некрасова Э.И. Коэффициент использования солнечной энергии в системах солнечного теплоснабжения // Вопросы теплоснабжения и вентиляции: Тр. ЦНИИЭП инженерного оборудования. -М., 1981. -С. 96-102.

64. Бутузов В.А. Проектирование систем ГВС. Анализ российского опыта и нормативных документов// Промышленная теплоэнергетика. -2003. -№1. -С 17-21.

65. Бутузов В.А. Эксплутационная надежность солнечных коллекторов // Промышленная теплоэнергетика. -2003. -№8. -С. 56-59.

66. Ценообразование и тарифы на перевозки грузов автомобильным транспортом.-М.: Транспорт, 1991.

67. Дэвинс Д. Энергия. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

68. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. -М.: Энергоиздат, 1983.

69. Фаренбрух А., Бьюбл JI. Солнечные элементы. Теория и эксперимент. -М.: Энергоатомиздат., 1987.

70. Насар Я.Ф. Разработка систем отопления и горячего водоснабжения на основе воздушного коллектора: Дис. канд. техн. наук. -М., МЭИ, 1999.

71. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. -М.: Энергия, 1973.

72. Chottel G. A method of simulation of solar processes and its application // Solar enrgy. -1975. -vol. 17 №1, p. 29-33.

73. Chottel G., Huilair B. A general design method for loop-solar systems. // Solar enrgy. -1979. -vol. 22, №1. -C. 269-273.

74. Колтун M.M. Оптика и метрология солнечных элементов. -М.: Наука, 1990.

75. Кошкарбаев А.Н. Усовершенствование режимных и конструктивных параметров гелиовоздухонагревателя в составе систем-утилизаторов тепла путем интенсификации радиационно-конвективного теплообмена: Дис. канд. техн. наук. -М., МЭИ, 1992.

76. Прунзер C.JI. К вопросу о критерии эффективности капиталовложений при использовании нетрадиционных источников энергии // Труды МЭИ. -1981. -Вып. 518. -С 84-90.