автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Повышение эффективности систем солнечного теплоснабжения

Бутузов Виталий Витальевич

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

з 7 ОКТ 2013

005536269

005536269

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрны" университет» (ФГОУ ВПО КубГАУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Амерханов Роберт Александрович

Официальные оппоненты: Безруких Павел Павлович доктор технических

наук, начальник направления «Энергосбережение и возобновляемая энергетика» Энергетического института им. Г.М. Кржижановского

Трушевский Станислав Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ВИЭСХ.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный политехнический университет».

Защита состоится «¿6» 2013г в / в часов на заседании

диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, Д.2.

Телефон: (499) 171-19-20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат разослан «22.» О/ец^рЛ 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертации. В настоящее время в России использование возобновляемых источников энергии носит локальный характер и призвано решать две основные задачи: автономное энергоснабжение, что особенно актуально для отдаленных, изолированных от внешних поставок топлива территорий и замещение традиционных источников энергии как альтернатива замены изношенного оборудования энергоисточников при их реконструкции, призванное решить задачи экономии органического топлива и улучшения экологической ситуации, особенно актуальной для курортных зон.

Из всех видов ВИЭ сегодня в системах теплоснабжения наиболее широко применяется солнечная энергия. В мире эксплуатируется более 383 млн. м2 (100%) гелиоустановок, в том числе, в России менее 0,01%. При этом условия солнечной радиации нашей страны позволяют на несколько порядков увеличить площадь таких установок.

Краснодарский край площадью 76 тыс. км2 и населением 5,2 млн. человек является одним из развитых аграрно-промышленных регионов России. При общем потреблении всех видов топливно-энергетических ресурсов - 15 млн. т у.т./год большая их часть (9 млн. т.у.т./год) используется для нужд теплоснабжения. Выработка тепла для городов и населенных пунктов обеспечивается от 1824 котельных. В то же время край имеет один из самых больших потенциалов солнечной радиации в России, что создает благоприятные условия для реконструкции изношенного оборудования котельных и сокращения потребления органического топлива. Строительство систем солнечного теплоснабжения ведется здесь наибольшими темпами: уже сооружены и эксплуатируются гелиоустановки общей площадью 5000 м2.

Однако, основными сдерживающими факторами развития систем солнечного теплоснабжения в России, преимущественно на нужды горячего водоснабжения, кроме их относительно низкой эффективности в сравнении с традиционными энергоисточниками, обусловленной высокой стоимостью использования возобновляемых источников энергии, является отсутствие материалов для проектирования (базы данных солнечной радиации, современные

методики проектирования), ограниченность площадей на существующих котельных для размещения солнечных коллекторов в условиях плотной застройки городов и населенных пунктов в сельской местности.

Целью работы является разработка рекомендаций для проектирования систем солнечного теплоснабжения, основанных на принципах эффективной компоновки солнечных коллекторов на ограниченной территории с получением максимальной выработки тепла, минимизации установленной мощности дублирующих источников тепла, с целью повышения их эффективности и обеспечения конкурентоспособности с традиционными источниками теплоснабжения, использующими органическое топливо.

Задачи исследования:

- разработать методику компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, позволяющую сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при обеспечении максимальной выработки тепла и, как следствие сократить капитальные затраты при строительстве солнечной системы теплоснабжения (стоимость земельного участка, трубопроводов и т.д.);

- разработать методику определения минимальной тепловой мощности дублеров гелиоустановок, позволяющую сократить затраты на сооружение традиционного дублирующего источника теплоснабжения;

- разработать методику определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ, позволяющую произвести экспресс оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

Научная новизна:

- на основании проведенных исследований вариантов компоновки коллекторного поля с графическим моделированием процесса их затенения, впервые разработана и внедрена методика компоновки солнечных коллекторов гелиоустановок в условиях ограниченной площади, которая позволяет сократить площадь участка для размещения солнечных коллекторов при получении максимальной выработки тепла;

- в результате анализа работы тепловых дублеров гелиоустановок и сопоставления процесса их работы с интенсивностью суммарной солнечной радиации в месте дислокации системы солнечного теплоснабжения, предложена методика определения минимальной мощности тепловых дублеров гелиоустановок, позволяющая на стадии проектирования уменьшить установленную мощность дублирующего источника тепла и, соответственно, капитальные затраты при строительстве солнечных систем теплоснабжения;

- на основании исследования 120 построенных в Краснодарском крае гелиоустановок разработана методика определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ;

Достоверность результатов исследования подтверждена совпадением результатов расчетов по предложенным автором методикам с данными испытаний четырех гелиоустановок солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае, в том числе одной из самых крупных в России, в г. Усть-Лабинске площадью солнечных коллекторов 600 м2, положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем теплоснабжения с гелиоустановками горячего водоснабжения.

Положения, выносимые на защиту:

- использование принципа компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, допускающего обоснованную долю затенения, позволяет сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при сохранении максимальной годовой выработки тепла;

- при определении тепловой мощности резервных источников тепла (тепловых дублеров) в процессе проектирования гелиоустановок следует учитывать минимальную мощность системы солнечного теплоснабжения, определяемую рассеянной солнечной радиацией в месте расположения системы с учетом отклонений расчетных значений от справочных для данного региона;

метод определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения показывает её зависимость от основных факторов: удельной стоимости гелиоустановки, суммарной интенсивности солнечной радиации в

плоскости коллекторов в течение года, КПД солнечных коллекторов, стоимости замещаемой тепловой энергии на стадии предпроектных работ и позволяет произвести экспресс-оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

Практическая значимость исследования состоит в разработке научно обоснованных практических рекомендаций, предназначенных для проектирования систем солнечного теплоснабжения, преимущественно для нужд горячего водоснабжения, позволяющих повысить их эффективность, а также конкурентоспособность традиционным системам теплоснабжения, использующим органическое топливо. Результаты диссертационного исследования использованы при проектировании четырех солнечно-топливных котельных малой мощности в Краснодарском крае, а также одной из самых крупных в России гелиоустановок с площадью солнечных коллекторов 600м2 в г. Усть-Лабинске Краснодарского края.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на 6-ти международных, российских конференциях: Региональная НПК молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2004г); четвертая южнороссийская научная конференция «ЮРНК-05» (Краснодар, 2005г); Международный НПС «Энергосбережение и возобновляемая энергетика» (Сочи, 2005г); Международная конференция «Возобновляемая энергетика XXI столетия» (Украина, Крым, 2006г); Всероссийская НПК молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2007); Всероссийская научная молодежная школа Московского государственного университета (Москва, 2008г), Конкурс Администрации Краснодарского края «Лучшая научная и творческая работа аспирантов (соискателей) высших учебных заведений Краснодарского края в 2007 году».

По теме диссертации автором опубликовано 15 статей, в том числе 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ на полезную модель, одна зарубежная публикация.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 источников и приложений. Работа изложена на 94 страницах, содержит 32 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние дел и тенденции развития систем теплоснабжения на основе солнечной энергии» рассмотрены вопросы развития систем теплоснабжения на основе применения гелиоустановок горячего водоснабжения. В основе создания солнечных водонагревательных установок -достоверные значения интенсивности солнечной радиации. Существующие методики определения этих значений имеют существенные недостатки. Российские климатологические справочники содержат устаревшие материалы по ограниченному количеству регионов и пунктов наблюдений. Разрозненные методики обработки многолетних данных интенсивности солнечной радиации не позволяют получить достоверные расчетные значения. Зарубежные компьютерные базы данных солнечной радиации имеют недостатки методологического плана, требуется сопоставление их значений с измерениями наземных станций наблюдений. Установлено, что каждый из вышеперечисленных способов представления данных солнечной радиации имеет свои достоинства и недостатки. Их применение на территории России, различающейся, как по значениям интенсивности солнечной радиации, так и по числу наземных станций наблюдений, полноты их рядов измерений требует определения условий их применимости для конкретного региона и получения достоверных значений для проектирования систем солнечного теплоснабжения.

Основным оборудованием систем солнечного теплоснабжения являются солнечные коллекторы (СК): плоские и трубчатые вакуумные. На основании анализа 84 плоских СК ведущих мировых производителей определены типичные конструктивные решения, а также основные тенденции совершенствования этого

вида оборудования. Вакуумные трубчатые СК имеют КПД на 10-15% выше, чем у плоских СК. В результате анализа характеристик вакуумных СК ведущих мировых производителей определены основные тенденции их совершенствования. Установлено отсутствие рекомендаций по применению при проектировании гелиоустановок конкретных конструкций плоских и вакуумных СК, а также критериев выбора каждого из указанных типов коллекторов.

Эффективность работы гелиоустановок определяется КПД солнечных коллекторов и их компоновкой, ориентацией, углом наклона, затенением рядов коллекторов. Существующие методики и рекомендации компоновки СК не учитывают необходимость их размещения в условиях ограниченности площади гелиополя, а также обеспечения допустимого затенения по условиям теплопроизводительности гелиоустановки.

Важным компонентом системы солнечного теплоснабжения являются тепловые дублеры, задачей которых является обеспечение заданной тепловой мощности при продолжительной пасмурной погоде. В практике проектирования установленную мощность дублеров гелиоустановок принимают равной расчетному теплопотреблению объекта, т.е. со 100% резервированием, что приводит к увеличению сметной стоимости и повышению эксплуатационных затрат. В то же время, не исследован фактор возможного снижения мощности дублера с учетом работы гелиоустановки при рассеянной солнечной радиации.

Целесообразность сооружения гелиоустановок на стадии проектирования определяется из соотношения затрат на строительство и стоимости замещаемой тепловой энергии. Анализ литературы показал, что известные методики расчетов экономической окупаемости имеют два основных недостатка: во-первых, многие из них основаны на советской экономической модели и неприменимы в современных условиях; во-вторых, в основе своей имеют такие характеристики, которые сложно определить на предварительной стадии проектирования гелиоустановок. Известные методики не позволяют выполнить анализ влияния основных факторов на срок окупаемости гелиоустановок.

Анализ литературы позволил установить, что по проектированию гелиоустановок отсутствуют российские нормативные документы, отечественный

опыт ограничивается разработкой и сооружением гелиоустановок в основном в Краснодарском крае. Зарубежные нормы и рекомендации по проектированию гелиоустановок требуют адаптации к российским условиям. На основании анализа литературы сформулированы цель и основные задачи исследований.

Во второй главе «Расчетные значения интенсивности солнечной радиации» представлены результаты расчетных исследований интенсивности солнечной радиации на территориях Краснодарского края и Якутии. Установлено, что известные методы получения значений интенсивности суммарной солнечной радиации: по климатологическим справочникам, обработкой многолетних рядов наблюдений, компьютерных баз данных имеют существенные особенности применения для конкретных регионов.

На основании исследований значений солнечной радиации для 45 городов Краснодарского края с сопоставлением справочных данных и значений по программе NASA SSE автором установлено, что расхождение годовых значений солнечной радиации не превышает 7,8%. Полученный результат позволяет применять значения по программе NASA SSE для оценки экономической целесообразности сооружения гелиоустановок. На рисунках 1 и 2 для городов Анапы и Сочи представлены помесячные отклонения справочных и компьютерных результатов. Для г. Анапы (рисунок 1) эти расхождения незначительны и не превышают 10%, допустимой величины, сопоставимой с погрешностью обработки данных. Максимальные значения отклонений установлены для г. Сочи (рисунок 2) - до 55% в декабре. При этом наблюдения солнечной радиации на наземной метеостанции ведутся более 50 лет и являются достоверными. На основании выполненных исследований в таблице 1 приведены достоверные расчетные значения интенсивности суммарной солнечной радиации для 18 городов относительно равномерно расположенных на территории Краснодарского края, а на рисунке 3 представлено распределение солнечной радиации данного региона.

9S9

tit

4,63 3.97 ■ _ ■ > is Я

-3.13 W7 лл \ W9 \ 023 0 63 1 "О-5 _ ■

л у у if

* / <f / /

I Отклонен«, %

Рис. 1. Величина отклонения значений суммарной солнечной радиации по данным NASA SSE от справочных значений для г. Анапа

60 so

40

30 20 10

~5Г~

ЬЙз 4Ж

I «.63

I ll'Slii11

■ Отклонение.*

Рис. 2. Величина отклонения значений суммарной солнечной радиации по данным NASA SSE от справочных значений для г. Сочи

Таблица 1. Расчетные значения суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для городов Краснодарского края (кВт ч/м:)

rupau kMflHIUlU i л 1 Г } 1 1 I 1 1 f t f i

■ IMfVt* ШШЙШЫ

1 - -J 45 Л1 1* 52 «1 121 167 142 IM 140 II« 7» )7 22 1251

2 bm« 44 4? »7. M 52 <1 па IM I« in 15» 121 >1 )? | 24 I»

1 44*1 40?. vi M «4 II« IM IM IM 157 120 M M | 25 I2?0

4 /V b«dn> 44.$? )«o- И 5» | О ill 172 MO 20» in 1» «1 50 )) IMI

г Атыт 44»? j?j: 40 Л | 101 Ii« 17» 21» 210 IM IM »0 4« >2 1414

А 7 44»» 41 1.' 41 5.| 0* 124 174 l«2 1*4 | 1*1 122 II )7 2» IM6

4A.07 40 »' >; | в» • 1 12« 171 1*4 200 172 125 71 >7 24 1)20

_ V 10 Мп 4*7 ]> 50 100 IM 115 20) 20« l>5 12« M 44 r 1»?

Aj.hv.MM 45 44 1 4U 5> M »1 »4 127 171 1*2 1*5 1*4 124 7» n I) IM*

Af. <•• •M« HO! J? « »I 12? IM 1«) l«7 175 121 >1 n 2) DI)

II »Hill ■ ■ 4*54 54*4 14 50 ♦5 1)1 Kl 1*4 21) 171 12* >1 и 24 IM)

12 «МЯП1*1 44 74 >?r 41 5) »7 | 129 ITH 201 20* IM 1)5 «2 | «♦ » im

п 44» 413! 41 » М | III IM l« KU 15» II» 71 w> 2» 1212

1« 4*04 »II 14 >1 Ш I IM Kl 204 21) 115 1)2 «I M 2« 1И?

litt M.71 42 5» 12? IM M Ü» IM 1)5 «* 5) U 1401

AM «5J7 >7« )? »1 •4 1)5 1?) 207 21* IM 1» «0 47 » 1401

* Г- 45» 40.1! M 5) «2 12? 174 1*4 IM 170 124 7> )? 25 1)07

Г.. 7W*v 441 »» 40 55 12« | 1?) 205 20» IT? 1» »4 51 И IM*

Рис. 3. Распределен« солнечной радиации по территории Краснодарского края. кВт ч/м* год.

В соответствие с разработанной методикой с использованием компьютерной базы NASA SSE определены расчетные месячные и годовые

значения интенсивности суммарной солнечной радиации дш 35 административных районов (улусов) Якутии.

Разработанная автором методология получения достоверных расчетных значений интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, табличные значения и карты значений интенсивности суммарной соласчиой радиации Краснодарского края и Якутии могут быть использованы для проектирования гелиоустановок.

особенности расчета их дублеров» представлены результаты исследований по компоновке плоских солнечных коллекторов в условиях ограниченной площади гслиополя, на основании которых разработана методика для проектирования гелиоустановок. Задачей данной методики является установление зависимости расстояния между рядами СК при многорядной компоновке гслиополя от затененной площади коллекторов, допускаемой при условном снижении головой производительности системы до 10% (величина соизмеримая с погрешностью обработки данных интенсивности солнечной радиации) и геометрических размеров СК. На рисункс 4 представлена геометрическая модель затенения СК при многорядной компоновке гслиополя.

В третьей главе «Методика компоновки солнечных коллекторов и

Рис.4. Затенение при многорядной компоновке гслиополя СК

Длина затемненной части СК Г равна: о- • сона -япа

. и_I

»¡п(/7 + а)

Площадь затененной части коллектора:

^ -«•/', (2) где а - ширина принятого к установке коллектора. Таким образом.

С другой стороны:

с(» а - а

Л-—4 ,„ ,—(3)

(4)

где Г - полная площадь коллекторов, Гщ - площадь не затененной части коллектора;

ги,-----%---—-77ч. (5)

где (),, =0,9-д, - годовая производительность гелиоустановки с допустимым но экономическим соображениям, а также по условиям погрешности обработки исходных данных, в частности, интенсивности солнечной радиации (до 10%) снижение годовой производительности гелиоустановки (<}г); Чг - КПД гелиоусгановкн; Е, - среднемесячное значение интенсивности суммарной солнечной радиации в /-том месяце, поступающей на горизонтальную поверхность; £(„ -срсднсмссячное значение интенсивности рассеянной солнечной радиации а /-том месяце, поступающей на горизонтальную поверхность; р, -коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, равный: 0,7 для зимы и 0,2 для лета; р угол наклона СК; - среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

cc»(«>-fl)cmS, sin<w,„ * sin(«»-/7)sin¿, Л.=-^-. (6)

cos® cos rf, sinn>. + -—-m. sinwsinrf * 180

где 9- широта местности; S, - склонение солнца в средний день месяца; а>,,ю,„ -часовые углы захода солнца для горизонтальной или наклонной поверхности с южной ориентацией.

Таким образом, in выражения (3) с учетом количества затешемых коллекторов - и гслиополя в зависимости от его конфигурации (первый ряд коллекторов не затеняется), выражение определяющее расстояние между рялами СК при условии дэпустимости затенения:

a-h-n-ema-F,-s¡n(/í + er)

b~-:-. (')

а-nun а

где: а - максимальный для данного месяца угол высоты Солнца (в солнечный полдень, часовой угол и>-0).

Формула (?) позволяет принять технически обоснованное решешие о компоновке гслиополя. позволяющее сократить площадь занимаемого участка, соответственно капитальные затраты на сооружение солнечной системы теплоснабжения.

Предложен! ая методика была апробирована при проектировании системы солнечного теплоснабжения в г. Устъ-Лабинске Краснодарского края (Р*с. 5) решением задачи оптимальной компоновки СК на заданной площади гслиополя.

Рис. 5. Гелиоустановка ЦРБ в г.Усть-Лабинск

14

На рис. 6 в виде графика приведены результаты расчетов следующих вариантов:

- №1 с размещением СК без затенения. При -»том возможна усгановка 160 СК (1x2м) под углом 45° к горизонту общей площадью 320 м3 с годовой выработкой тепловой энергии 283.7 МВтч;

• №2 с размещением СК по предложенной методике при допустимом затенении 300 СК (1x2м) под углом 45° к горизонту общей площадью 600 м: с головой выработкой тепловой энергии 500.9 МВт ч.

Для сравнения на (рафике приведен также вариант №3 размещения такого же количества СК (300 шт.) как и в варианте №2 без ограничения плошали гслиополя под углом 45° к горизонту без затенения. Годовая выработка тепловой энергии при этом составила 532 МВтч. что всего на 5,9% больше, чем в варианте №2. Столь незначительное снижение выработки тепловой энергии по варианту №2 сопоставимо с погрешностью обработки данных интенсивности солнечной радиации. При этом требуемая площадь гслиополя увеличилась почти вдвое, что приводит соответственно к увеличению стоимости гелиоустановки (земельный участок, трубопроводы и др. коммуникации).

Рис. 6. Сравнительный график среднемесячной выработки тепловой энергии гелиоустановкой ЦРБ в г. Усть-Лабинск

В соответствие с предложенными алгоритмами при проектировании гелиоустановки площадью 600м" в г. Усть-Лабннскс в условиях ограниченной выделенной площади для размещения солнечных коллекторов установлено, что

при компоновке гелиополя по методике с допустимостью затенения, площадь занимаемого земельного участка сокращается в 1,7 раза (до 912 м2) относительно базового варианта без ограничения площади (1584 м2) при годовой потере производительности - 9,5%, сопоставимой с погрешностью при обработке данных интенсивности солнечной радиации.

Оценка экономической эффективности предложенного варианта оптимальной компоновки гелиополя по разработанной методике проводилась по методу приведенных затрат в сравнении с вариантом №3 (компоновка СК по общепринятой методике проектирования, без затенения), исходные данные представлены в табл. 2.

Таблица 2. Исходные данные для технико-экономического сравнения двух вариантов компоновки гелиополя на 300 СК.

Показатель Вариант №3. Без ограничения площади гелиополя, без затенения Вариант №2. Размещение СК на заданной площади с допускаемым затенением

Площадь СК, м 600 600

Площадь занимаемого земельного участка, м2 1584 912

Стоимость строительства, тыс. руб. 12207,9 10006,22

Годовая выработка тепловой энергии, МВт ч 531,998 500,709

Стоимость замещаемой тепловой энергии, руб/кВт ч 2,35 2,35

Удельная стоимость электроэнергии (тариф), руб/кВт ч 4 4

Результаты технико-экономической оценки варианта компоновки гелиополя

с применением методики компоновки СК в условиях ограниченной площади приведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты технико-экономической оценки применения варианта компоновки гелиополя с применением методики компоновки СК в условиях ограниченной площади.

Вариант №3. Без ограничения Вариант №2. Размещение СК

Показатель площади гелиополя, без на заданной площади с

затенения допускаемым затенением

1 2 3

Капитальные вложения, руб. 12 207 897 10 006 220

Эксплуатационные затраты, руб/год 192 115 180 096

1 2 3

Стоимость выработанной тепловой энергии, руб/год 1 250 195 1 176 666

Срок окупаемости, лет 9,8 8,5

Приведенные затраты, руб. 2 023 300 1 681 029

Удельные капитальные затраты, руб/кВт 36 333 29 780

Годовой экономический эффект, руб - 342 271

В сравнении с вариантом, рассчитанным по общепринятой методике, исключающей затенение, годовой экономический эффект от варианта с компоновочным решением согласно методике благодаря сокращению капитальных вложений и текущих затрат составляет 342 271 руб, величина удельных капитальных затрат на единицу установленной мощности 29 780 руб/кВт. Срок окупаемости 8,5лет.

В практике проектирования гелиоустановок установленную мощность тепловых дублеров определяют из условия обеспечения 100% расчетной мощности объекта потребления. В то же время при работе гелиоустановки даже в пасмурную погоду имеется минимальное значение мощности, соответствующее интенсивности рассеянной солнечной радиации.

Установлено также, что при расчете интенсивности рассеянной солнечной радиации следует учитывать ее вероятностный характер. На рис. 7 и в табл. 4 представлено сравнение минимальных экспериментальных значений солнечной радиации со справочными для г. Краснодара. Отклонение расчетных минимальных значений интенсивности суммарной солнечной радиации от справочных для круглогодичных гелиоустановок составляют от 6,9% в октябре до 28,9% в феврале, а для сезонных установок аналогичные отклонения составляют от 7,5% в сентябре до 23,3% в апреле. С учетом изложенного

Рт,,=Трл-т1Кв-'г, (8)

где, Ртя - установленная тепловая мощность дублера гелиоустановки, кВт; ]Г/'„ -

установленная тепловая мощность дублера гелиоустановки из условия

обеспечения 100% расчетной мощности объекта потребления; Jp - расчетное

значение интенсивности рассеянной солнечной радиации, кВт; т| - КПД

гелиоустановки, Кв - поправочный коэффициент, учитывающий отклонения

значений солнечной радиации от справочных.

17

С учетом изложенного, на основе анализа многолетних данных интенсивности солнечной радиации на примере Краснодарского края и сопоставления их со значениями климатологического справочника, анализа практики проектирования гелиоустановок предложена аналитическая зависимость для определения установленной мощности теплового дублера гелиоустановки, которая позволяет в частности для сезонных установок снизить установленную мощность тепловых дублеров на 30-54%.

Таблица 4. Сравнение минимальных экспериментальных значений

солнечной радиации со справочными данными для г.Краснодара

Месяцы года Суммарная солнечная радиация (кВт-ч)/м2 Отклонение расчётных минимальных значений от справочных, %

по справочнику расчётное минимальное значение

Январь 36,1 26,2 27,4

Февраль 52,3 37,2 28,9

Март 90,9 70,6 22,3

Апрель 121,2 93,0 23,3

Май 166,8 130,6 21,7

Июнь 181,8 138,1 24

Июль 186,5 151,5 18,8

Август 160,1 140,7 12,1

Сентябрь 119,3 110,4 7,5

Октябрь 78,1 72,7 6,9

Ноябрь 37,3 30,6 18

Декабрь 23,9 19,0 20,5

IV V VI VII VIII МЕСЯЦЫ ГОДА

-минимальные значения я

"расчетные значения

Рис. 7. Изменение среднемесячной суммарной солнечной радиации в г.Краснодаре

В четвертой главе «Особенности проектирования систем солнечного теплоснабжения» представлена методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок, а также результаты практической реализации результатов исследований, изложенных в главе 3. Срок окупаемости гелиоустановок на стадии проектирования предложено определять по формуле:

где Т - срок экономической окупаемости (лет), Кг - удельная стоимость гелиоустановки, руб/м2; 25'р - суммарная интенсивность солнечной радиации в плоскости солнечных коллекторов в течении года, кВтч/год; г\г- коэффициент полезного действия гелиоустановки; Ст - стоимость замещаемой тепловой энергии, (тариф), руб/кВт.ч. На основе формулы 9 на рис. 8 представлен график для предварительного определения сроков окупаемости гелиоустановки, с нанесенными на него примерами определения расчетных сроков окупаемости нескольких вариантов с различными параметрами.

Аналитическая зависимость 9 и график на рис. 8 позволяют также выполнить анализ влияния основных параметров на срок окупаемости.

СТОИМОСТЬ ТШЛА,

ВЫРАБОТАННОГО

ГЕЛИОУСТАНОВКОЙ

СРОК ОКУПАЕМОСТИ

Т.

мя

» » 'I 1? !в 15 Н II 11 II И I I 7 I I 4 )

М «л

СОЛ .......... .________

ПЛОСКОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ

Рис. 8. График окупаемости гелиоустановок 19

Под руководством автора разработана проектная документация, в которой применены результаты исследований главы 3, осуществлено строительство и наладочные работы системы солнечного теплоснабжения в г. Усть-Лабинске Краснодарского края площадью 600 м2. В результате анализа технических и стоимостных характеристик обосновано применение солнечных коллекторов фирмы WOLF (Германия). В условиях ограниченной площади гелиополя обоснована однорядная компоновка солнечных коллекторов под углом 45° к горизонту (300 шт). На основании анализа режимов эксплуатации отечественных и зарубежных гелиоустановок автором разработана трехконтурная система (рис. 9), позволяющая обеспечить 100% резервирование гелиоустановки теплоносителем котельной, а также возможность работы в реверсивном режиме со сбросом в летнее время избыточного тепла в котельную.

1 - солнечные коллекторы; 4 - мембранный бак;

2 - насосы; 5 - буферный бак;

3 - теплообменники; 6 - предохранительный клапан

Рис. 9. Принципиальная схема гелиоустановки ЦРБ в г.Усть-Лабинске

Автором разработаны алгоритмы автоматического регулирования, на основании которых построена система автоматического управления

гелиоустановкой. Стоимость строительства данной системы солнечного теплоснабжения на 20% ниже аналогов.

Для повышения эффективности котельных малой мощности автором разработана типовая схема их модернизации, при которой в летнее время нагрузка горячего водоснабжения взамен топливных котлов обеспечивается автоматизированной гелиоустановкой с пиковым электрокотлом, мощность которого существенно ниже аналогов (рис. 10).

При разработке данной схемы автором принято решение по разделению контуров циркуляции солнечных коллекторов и пиковых электрокотлов, что на 10% повысило эффективность работы.

Данные решения реализованы автором при строительстве четырех солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае. Мощность пиковых электрокотлов при этом снижена на 30-54%, что вместе с более эффективной тепловой схемой позволило снизить стоимость систем солнечного теплоснабжения на 10-15%.

1 - солнечные коллекторы; 4 - электрокотел;

2 - бак-аккумулятор № 1; 5 - насос электрокотла;

3 — бак-аккумулятор №2; 6 - насос горячего водоснабжения;

7 - насос гелиоконтура. Рис. 10. Принципиальная схема гелиоустановки солнечно-топливной котельной малой мощности

В результате анализа условий эксплуатации гелиоустановок в районе г. Сочи с участием автора разработана и внедрена одноконтурная гелиоустановка

солнечно-топливной котельной (топливо - уголь) в пос. Солоники (Сочи) Краснодарского края площадью 240 м2 (рис. 11). Солнечные коллекторы (300 шт) размещены на навесе над зданием котельной под углом 30° к горизонту. Компоновка коллекторов - трехрядная, оптимизирована по блокам циркуляции. В результате эксплуатации данной установки годовая экономия угля достигла 22,6т (2006г). Стоимость строительства данной гелиоустановки на 15% ниже аналогов.

С участием автора выполнены расчеты, осуществлено строительство двухконтурной круглогодичной солнечно-топливной котельной площадью гелиополя 200 м2 в станице Старовеличковской Краснодарского края (рис. 12). Реализация данного проекта позволила удешевить стоимость вырабатываемой тепловой энергии на 25%. Автором разработана система автоматического регулирования гелиоустановки.

!!

■ ~ и

-водопровод

- РЕЦИРКУЛЯЦИЯ гвс

ад

КК0171А]

I-----¿р

-ск /Ч

К ПОТРЕБИТЕЛЮ гас

1 - солнечные коллекторы

2 - бак-аккумулятор

3 - тепловычислитель

4 - пиковый подогреватель

5 - датчик расхода

6 - датчик температуры 7-насос ГВС

8 - насос гелиоконтура

Рис. 11. Принципиальная схема гелиоустановки солнечно-топливной котельной пос. Солоники

СП

^ ДЗ Р И

9

К КОТЛАМ

К КОТЛАМ ОТ КОТЛОВ

от котлов

А

>ЛРО>ОД

'А, : -;: -:

1 — солнечные коллекторы

2 - баки-аккумуляторы

3 - бак антифриза

4 - теплообменник гелиоконтура 5- теплообменник ГВС

6 - насос циркуляционный

7 - насос гелиоконтура

8 - контроллер

9 - тепловычислитель 10-насос ГВС

Рис. 12. Принципиальная схема двухконтурной солнечно-топливной котельной в ст. Старовеличковской

Основные выводы

На основании проведенных исследований можно сформулировать основные

1. Для южного (Краснодарский край) и северного (Якутия) регионов России получены достоверные значения интенсивности суммарной солнечной радиации для проектирования систем солнечного теплоснабжения.

2. Разработана методика компоновки солнечных коллекторов в условиях ограниченной площади гелиополя. В результате исследований вариантов компоновки солнечных коллекторов в условиях ограниченной площади гелиополя установлено, что расстояние между рядами коллекторов целесообразно определять из условий затенения при допустимом по экономическим соображениям снижении расчетной годовой теплопроизводительности гелиоустановки. Таким образом, удалось достигнуть максимальной тепловой производительности гелиоустановки при минимальной занимаемой площади участка размещения солнечных

результаты:

коллекторов. Разработанная методика внедрена при проектировании одной из самых крупных в России гелиоустановок в г. Усть-Лабинске, площадью солнечных коллекторов 600 м2 и позволила снизить её стоимость на 20%.

3. Разработана методика определения минимальной тепловой мощности дублеров гелиоустановок, позволяющая минимизировать установленную тепловую мощность резервного источника теплоснабжения и, как следствие, капитальные затраты на сооружение гелиоустановки. При определении тепловой мощности дублеров гелиоустановок установлено, что следует учитывать минимальную мощность гелиоустановок, определяемую рассеянной солнечной радиацией с учетом отклонений расчетных значений от справочных для данного региона. Данная методика использована при проектировании четырех солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае, что позволило снизить установленную тепловую мощность их дублеров на 30-54%.

4. На основании исследования 120 солнечных систем теплоснабжения в Краснодарском крае разработана методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок, которая позволяет на предпроектной стадии определить результаты реализации проекта, принять решение о целесообразности его внедрения, а также выполнить анализ влияния основных факторов: удельной стоимости гелиоустановки, суммарной интенсивности солнечной радиации в плоскости коллекторов в течение года, КПД солнечных коллекторов, стоимости замещаемой тепловой энергии.

5. С использованием предложенных методик разработана проектная документация типовой солнечно-топливной котельной малой мощности с электрическими котлами в качестве тепловых дублеров, на основании которой построены 4 гелиоустановки котельных в Краснодарском крае, эксплуатационные расходы которых снижены на 12%.

6. С использованием предложенных методик разработан и внедрен проект одноконтурной солнечно-топливной котельной в пос. Солоники (Сочи)

Краснодарского края, стоимость реализации которого на 15% меньше аналогов.

7. Выполнены расчеты, разработана документация, осуществлено строительство, наладочные работы двухконтурной солнечно-топливной котельной в станице Старовеличковской Краснодарского края. Реализация данного проекта с применением предложенных методик позволила удешевить стоимость выработанной тепловой энергии на 25%.

Основные публикации по теме диссертационной работы: Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК

1. Бутузов В.В. Расчетные значения интенсивности солнечной радиации для проектирования гелиоустановок. // Альтернативная энергетика и экология. 2009.№11.-с. 75-80.

2. Бутузов В.А. Разработка и испытания солнечно-топливной котельной / Брянцева Е.В., Потапова Е.А., Бутузов В.В. // Промышленная энергетика. -2005. №7. - с.44-45.

3. Бутузов В.А. Комбинированное теплоснабжение объектов с использованием солнечной энергии / Брянцева Е.В., Бутузов В.В.// Промышленная энергетика - 2006. №12. - с.39-41.

4. Бутузов В.А. Определение мощности пиковых котлов при проектировании гелиоустановок / Брянцева Е.В., Бутузов В.В. // Промышленная энергетика. - 2007. №10. - с. 47-49.

5. Бутузов В.А. Гелиоустановка горячего водоснабжения котельной с двойным контуром / Брянцева Е.В., Бутузов В.В. // Промышленная энергетика. -2008. №4. - с.43-44.

6. Бутузов В.А. Гелиоустановка угольной котельной / Брянцева Е.В., Бутузов В.В. // Промышленная энергетика. 2009. №1. - с.51-53.

7. Бутузов В.А. Автоматизация солнечных тепловых установок / Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. №12(80). 2009. - с. 15-18.

8. Бутузов В.А. Гелиоустановки Краснодарского края / Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Промышленная энергетика. 2011. №7. С. 45-47.

9. Бутузов В.А. Формирование рынка гелиоустановок: основные факторы экономической окупаемости / Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2012. №11-12. С. 16-19.

Ю.Бутузов В.А. Энергетический потенциал солнечной радиации и экономическая целесообразность применения гелиоустановок в Краснодарском крае и Якутии / Амерханов P.A., Бутузов В.В., Томаров Г.В. // Тр. Куб. гос. Аграрного университета., 2008, №1. - С. 26-34.

11. Бутузов В.А. Перспективы развития возобновляемой энергетики при использовании комплектных гелиоустановок малой мощности / Амерханов P.A., Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Труды КубГАУ. 2010 №3(24). С. 49-51

Публикации в других изданиях:

12.Бутузов В.В. Внедрение солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае / Амерханов P.A. // тез. Докл. Научно-практ. Конф «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» Краснодар, 14-16 ноября 2007 г. КубГАУ. С.

13. Butuzov V.A. Study and Construction of Geothermal system of Heat Supply of Domestic Buildings and Greenhouses with the use of Solar Energy and Heat pumps / Amerkhanov R.A., Tomarov G.V., Bryantceva E.V., Butuzov V.V. // Proceedings World Geothermal Congress, 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April, 2010.

14. Бутузов В.А. Развитие гелиоустановок. Опыт Краснодарского края / Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Энергосбережение. 2011. №1. С. 74-77.

15. Бутузов В.А. Проектирование и строительство гелиоустановки большой мощности / Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. // Энергосбережение. 2012. №3. С. 69-73.

16.Пат. №62689 РФ, Заявка №2006138169 Поплавковая система установки солнечного горячего водоснабжения без постоянной подпитки водой / Бутузов В.В., Лычагин A.A. //2006г.

Подписано в печать 07.10,2013г. Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Офисная печать Заказ №641

Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный

аграрный университет».

на правах рукописи

БУТУЗОВ Виталий Витальевич

04201363591

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.14.08 - «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Амерханов Роберт Александрович

Краснодар, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.......................................................................................4

Глава 1. Состояние и тенденции развития систем

теплоснабжения на основе солнечной энергии.......................................9

1.1 Основные характеристики баз данных солнечной радиации.......9

1.2 Оборудование солнечных систем теплоснабжения..................12

1.3 Разработка систем солнечного теплоснабжения......................19

1.4 Выводы по первой главе и задачи исследований.....................22

Глава 2. Расчетные значения интенсивности солнечной радиации.............25

2.1 Определение достоверных значений интенсивности солнечной радиации.......................................................................25

2.2 Расчетные значения солнечной радиации

Краснодарского края..........................................................27

2.3 Характеристики солнечной радиации Якутии........................33

2.4 Выводы по второй главе.....................................................40

Глава 3. Методика компоновки солнечных коллекторов и особенности расчета их дублеров........................................................................41

3.1 Методика определения компоновочных решений солнечных коллекторов...................................................................41

3.2 Определение мощности дублеров гелиоустановок.....................47

3.3 Выводы по третьей главе......................................................54

Глава 4. Особенности проектирования систем солнечного теплоснабжения...........................................................................55

4.1 Экономическая целесообразность сооружения гелиоустановок.................................................................55

4.2 Гелиоустановки большой производительности..........................58

4.3 Солнечно-топливные котельные малой мощности....................62

4.4 Солнечно-топливная котельная одноконтурная........................65

4.5 Солнечно-топливная котельная двухконтурная.........................67

4.6 Выводы по четвертой главе...................................................76

Заключение...................................................................................78

Список литературы........................................................................81

Приложения.................................................................................91

ВВЕДЕНИЕ

Ограниченность запасов органического топлива диктуют необходимость использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь, для теплоснабжения. Европейский Союз планирует к 2020 году увеличить долю ВИЭ в своем энергобалансе до 20%. Руководством России также принимаются меры по развитию энергоисточников на основе ВИЭ. Указом президента РФ № 889 от 04.06.2008г «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики», постановлением правительства РФ №426 от 03.06.2008г «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе ВИЭ», распоряжением правительства РФ №1-Р от 08.01.2009г утверждены основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности на основе ВИЭ на период до 2020 года. Из всех видов ВИЭ в системах теплоснабжения наиболее широко применяется солнечная энергия. В мире эксплуатируется более 380 млн. м (100%) гелиоустановок, в том числе доля России меньше чем 0,01%). При этом условия солнечной радиации нашей страны позволяют на несколько порядков увеличить площадь таких гелиоустановок.

В России научные исследования в области солнечного теплоснабжения ведут Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства, ЭНИН им. Кржижановского, Московский энергетический институт (ТУ), МГУ им. Ломоносова, ИВТАН и другие. Большой вклад в этой области внесли ведущие российские ученые: Безруких П.П., Бутузов В.А., Виссарионов В.И., Стребков Д:С., Попель О.С., Харченко В.В. и другие.

В России строительство солнечных систем теплоснабжения наибольшими темпами ведется в Краснодарском крае, где сооружены гелиоустановки общей площадью 7000 м [1]. Для проектирования эффективных гелиоустановок принципиальное значение имеют достоверные значения солнечной радиации, однако существующие российские базы

4

данных не в полной мере охватывает все регионы России, требуют уточнения и дополнений. Действующие в России нормативные документы по проектированию гелиоустановок устарели и требуют существенной доработки. Необходима разработка методики обоснования экономической целесообразности сооружения гелиоустановок, принципов их проектирования.

Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена необходимостью сооружения конкурентоспособных систем солнечного теплоснабжения, в первую очередь для объектов агропромышленного комплекса страны.

Целью работы является разработка рекомендаций для проектирования систем солнечного теплоснабжения, основанных на принципах эффективной компоновки солнечных коллекторов на ограниченной территории с получением максимальной выработки тепла, минимизации установленной мощности дублирующих источников тепла, с целью повышения их эффективности и обеспечения конкурентоспособности с традиционными источниками теплоснабжения, использующими органическое топливо.

Задачи исследования:

- разработать методику компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, позволяющую сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при обеспечении максимальной выработки тепла и, как следствие сократить капитальные затраты при строительстве солнечной системы теплоснабжения (стоимость земельного участка, трубопроводов и т.д.);

- разработать методику определения минимальной тепловой мощности дублеров гелиоустановок, позволяющую сократить затраты на сооружение традиционного дублирующего источника теплоснабжения;

- разработать методику определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ, позволяющую произвести экспресс оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

Научная новизна: на основании проведенных исследований вариантов компоновки коллекторного поля с графическим моделированием процесса их затенения, впервые разработана и внедрена методика компоновки солнечных коллекторов гелиоустановок в условиях ограниченной площади, которая позволяет сократить площадь участка для размещения солнечных коллекторов при получении максимальной выработки тепла;

- в результате анализа работы тепловых дублеров гелиоустановок и сопоставления процесса их работы с интенсивностью суммарной солнечной радиации в месте дислокации системы солнечного теплоснабжения, предложена методика определения минимальной мощности тепловых дублеров гелиоустановок, позволяющая на стадии проектирования уменьшить установленную мощность дублирующего источника тепла и, соответственно, капитальные затраты при строительстве солнечных систем теплоснабжения;

- на основании исследования 120 построенных в Краснодарском крае гелиоустановок разработана методика определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ;

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методики и технические решения повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения позволили:

- определить для Краснодарского края достоверные значения интенсивности суммарной солнечной радиации для 18 городов, на основании

которых выполнена графическая интерпретация солнечной радиации региона;

- выполнить для Якутии районирование по значениям интенсивности суммарной солнечной радиации с выделением пунктов-представителей и определением для .них достоверных её значений;

- предложить и внедрить методы расчетов и рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения: гелиоустановок большой мощности, солнечно-топливных котельных малой мощности, одно-и двухконтурных;

разработать и построить типовые системы солнечного теплоснабжения: одной из самых больших в России гелиоустановки площадью 600 м , четырех автоматизированных солнечно-топливных котельных малой мощности с электрокотлами-дуб л ерами; одноконтурной солнечно-топливной котельной для южных регионов, автоматизированной двухконтурной солнечно-топливной котельной для северных регионов.

Достоверность результатов теоретических исследований, выводов и рекомендаций подтверждена совпадением расчетов с данными испытаний гелиоустановок, положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения.

Положения, выносимые на защиту:

использование принципа компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, допускающего обоснованную долю затенения, позволяет сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при сохранении максимальной годовой выработки тепла;

- при определении тепловой мощности резервных источников тепла (тепловых дублеров) в процессе проектирования гелиоустановок следует

учитывать минимальную мощность системы солнечного теплоснабжения, определяемую рассеянной солнечной радиацией в месте расположения системы с учетом отклонений расчетных значений от справочных для данного региона;

- метод определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения показывает её зависимость от основных факторов: удельной стоимости гелиоустановки, суммарной интенсивности солнечной радиации в плоскости коллекторов в течение года, КПД солнечных коллекторов, стоимости замещаемой тепловой энергии на стадии предпроектных работ и позволяет произвести экспресс-оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Основные характеристики баз данных солнечной радиации.

Для расчета гелиоустановок используют следующие характеристики солнечной радиации: интенсивность суммарной, прямой и рассеянной радиации. В практике проектирования применяют данные климатологических справочников, результаты многолетних наблюдений и компьютерные базы данных. Климатологические справочники [2, 3] содержат информацию по часовым, месячным и годовым значениям прямой, рассеянной, суммарной солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния для всех регионов России со сроком наблюдения от 5 до 30 лет. Достоинством данных справочников являются большие сроки наблюдения и достоверность измерений наземных станций. Недостатками их являются трудность использования (табличная форма представления на бумажных носителях), необходимость дополнения информацией с 1990 года и малое число пунктов наблюдения. Для

-у

южного региона - Краснодарского края, площадью 76 тыс. км в Справочнике [3] данные солнечной радиации имеются только для двух городов (Краснодар, Сочи), а для северного региона - Якутии, площадью более, чем в сорок раз большей - 3083,523 тыс. км аналогичные данные имеются также для двух населенных пунктов (Якутск, Оленек). Условия применимости результатов справочников [2, 3] по горизонтам (удалении) и вертикали (превышением над уровнем моря) не позволяют получать достоверные значения интенсивности солнечной радиации для большей части регионов.

При отсутствии необходимых данных по интенсивности солнечной радиации в Справочниках [2, 3], а также для их уточнения применяются методы обработки массивов многолетних наблюдений [4-^8]. Так, для Краснодара такие исследования были выполнены за 10 и за 14 лет. При этом установлено, что при продолжительности наблюдения до 10 лет следует применять дифференциальную функцию распределения вероятности, а при большей продолжительности измерений достаточно вычислять среднеарифметические

значения. В указанных работах получены результаты обработки многолетних данных для г. Геленджика, отсутствующие в справочниках [2, 3]. Среди специалистов по климатологии нет единого мнения о сроке наблюдений с достаточной степенью обеспеченности [9, 10]. Для многих населенных пунктов данные солнечной радиации в справочниках отсутствуют и возникает необходимость интерполировать их значения. Измерения значений солнечной радиации и обработка их производится по специальным методикам [9-^15].

Результаты солнечной радиации могут быть представлены различными способами. М.Д.Рабиновичем в статье [12] приведен анализ этих способов, в результате которого сделан вывод о том, что наиболее полную информацию обеспечивает «типичный год». Типичный год включает в себя ежечасовую информацию о температуре воздуха, его влажности, скорости, направления ветра. Результаты исследований О.С.Попеля [16] подтвердили данное утверждение. Остальные способы представления результатов измерений солнечной радиации (средние сутки, среднемесячные значения, среднесуточные значения) на 10-15% менее точны. В работах [14, 15] утверждается, что при определении показателей с точностью до 10% наиболее целесообразно использовать усредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. При этом, эффективность работы гелиоустановок не зависит от распределения радиации в течение дня, важна ее общая сумма. Исследования в области определения характеристик солнечного излучения занимается также коллектив под руководством д.т.н., профессора Елистратова В.В. (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет). Авторы работ [44; 47] не используют понятие «типичный год» и указывают на целесообразность использования корректирующих коэффициентов в математическую модель определения прихода солнечной радиации по данным фактических наблюдений, учитывающих реальные условия облачности. Предложенные методики позволяют получить часовые данные по поступлению солнечного излучения в реальных условиях облачности.

Компьютерные базы данных [17] имеют удобную для использования форму представления информации. Они в основе своей имеют главным образом результаты спутниковых измерений со сроком обработки данных от 1 до 30 лет

и представлены следующими характеристиками интенсивности солнечной радиации: получасовые, часовые, месячные, годовые значения. В Европейском атласе солнечной радиации (E.S.R.A) [17] количество пунктов наблюдений составляет 586. В базе данных S@tel-ligh на основе спутниковых измерений представлены данные солнечной радиации для 250 тыс. пунктов наблюдений. Широкое применение получила база данных швейцарской организации Meteonorm (METEONORM 4.0) для 2400 пунктов наблюдений. В работе [18] выполнено сравнение базы данных METEONORM для России со справочником по климату [3]. Установлено расхождение суточных значений суммарной солнечной радиации летом - 5%, зимой - 10^-15%. В настоящее время в мире наиболее полным детализированным массивом данных по солнечной радиации обладает база данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE), основанная на непрерывном и последовательном ряде спутниковых измерений радиационного баланса земных ячеек с размерами 280x280 км с июля 1983г [19]. В работе [20] выполнено сравнение базы данных NASA SSE с данными наземных станций России, в том числе Южного Федерального округа. Получено удовлетворительное совпадение значений суммарной солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность по наземным и спутниковым измерениям. В работе [8] отмечается, что недостатками всех компьютерных баз являются: отсутствие исчерпывающих комментариев по их применению, малое число российских пунктов наблюдений, недостаточность значений интенсивности солнечной радиации для населенных пунктов с малыми сроками наблюдений.

Таким образом, каждый из вышеперечисленных способов представления данных интенсивности солнечной радиации имеет свои достоинства и недостатки. Их применение на территории России, различающимися как по значениям интенсивности солнечной радиации, так и по числу наземных станций наблюдений, полноты их рядов измерений, требует определения алгоритма их применимости для условий конкретного региона и на его основе получения достоверных значений для проектирования систем солнечного теплоснабжения.

1.2 Оборудование солнечных систем теплоснабжения.

Солнечные системы теплоснабжения состоят из солнечных коллекторов, насосов, баков-аккумуляторов, теплообменников, дублеров для пикового догрева. Основным видом их оборудования являются солнечные коллекторы (СЮ - устройства для поглощения солнечного излучения и преобразования в тепловую энергию. В системах солнечного т