автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Совершенствование методов обоснования и оптимизации автономных энергокомплексов на базе теплового насоса, солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей

На правах рукописи

Афонин Вячеслав Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБОСНОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА, СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005550472

Москва, 2014 г.

005550472

Работа выполнена на кафедре «Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии»Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»Пугачев Роман Викторович

Доктор технических наук, профессор Государственного научного учреждения «ВИЭСХ» Харченко Валерий Владимирович

Кандидат технических наук, директор ООО «СОЭНТЕ» Дорошин Александр Николаевич

ООО «Штабель Эльтрон»

Защита состоится 20 июня 2014 г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17,2 этаж, корпус «Г».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « »_2014 г.

Председатель

диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы.

Современный топливно-энергетический комплекс (ТЭК) мира развивается в особых условиях, которые определяются целым рядом объективных факторов как экономического, так и социально-экологического характера. С одной стороны - это факторы, стимулирующие развитие ТЭК: рост населения Земли и необходимость повышения уровня его жизни во всех странах мира. С другой стороны, сегодня действует целый ряд факторов, сдерживающих развитие ТЭК, которые являются основой экономики всех стран мира. В том числе: реальная ограниченность невозобновляемых энергетических ресурсов на Земле; их неравномерное распределение по странам мира; непрерывный рост стоимости этих ресурсов; резкое возрастание роли социально-экологических факторов во многом определяющих сегодня темпы и уровни развития мировой экономики в целом.

Всем известно, что основу современного ТЭК мира составляют электростанции и энергоустановки, базирующиеся на использование ископаемых невозобновляемых источников энергии - тепловые электрические станции и атомные электрические станции а так же традиционные средние и крупные гидроэлектростанции. Все эти электростанции дошли по своим масштабам до такого уровня развития, что оно стало реально сказываться на условиях жизни человека на Земле. Понимая это, большинство стран мира и уже в течение десятков лет прилагают усилия для исследования возможностей и внедрения в ТЭК огромных ВИЭ, обладающих минимальным влиянием на окружающую среду по сравнению с традиционными источниками энергии.

В связи с этим освоение экологически чистых установок ВИЭ является стратегической задачей, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран, а также удаленных от сетей централизованного энергоснабжения регионов в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и угрозы все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии ВИЭ уже достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе и российский.

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения России. Потери тепла в сетях страны значительно превосходят нормативные показатели. Данная проблема может быть решена за счет внедрения теплонасосных установок (ТНУ) в централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения.

Увеличение экологических требований заставляет использовать альтернативные источники энергии и для производства электроэнергии. Кроме того, вступление России в августе 2012 года в ВТО серьезно скажется на энергетической отрасли страны. Ожидается, что вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) приведет к переходу на международные тарифы на энергоносители и к повышению издержек на действующих предприятиях страны. Как следствие, это приведет и к сокращению численности предприятий энергетического сектора и росту безработицы. При этом 2/3 территории России с населением 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Солнечная энергетика может стать перспективным источником энергии в данном случае.

Все сказанное выше, а также и другие немаловажные факторы, заставляет весь мир, а в последние годы и Россию, по новому оценить возможности и перспективы использования богатейших ресурсов возобновляемых источников энергии. Поэтому весьма перспективной представляется задача энергоснабжения автономного потребителя комплексными установками на базе ВИЭ.

Цель диссертационной работы:

Систематизация и анализ существующих информации и методического обеспечения расчетов схем энергоснабжения автономного потребителя на основе теплонасосных установок (ТНУ), солнечных коллекторов (СК) и солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭМ). Разработка алгоритма обоснования и оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения автономного потребителя. Разработка универсального расчетной модели, предназначенной для проведения расчета основных энергетических параметров автономных потребителей, характерных для Европейской части России.,

Основные задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести анализ рынка потребителей и производителей ТНУ, СК и СФЭМ в России и мире;

2. Разработать методику технического обоснования параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

3. Разработать методику технико-экономической оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

4.. Разработать расчетную модель для расчетов параметров ГЭК; 5. Проанализировать результаты расчета на выбранном объекте.

Научная новизна работы.

1. Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии в виде алгоритмов, формул и таблиц.

2. Введена классификация рассматриваемых типов оборудования по гарантированности энергоснабжения. Разработана инновационная схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.

3. Разработана комплексная расчетная модель на базе MS Office Excel, на базе которого проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов. Даны рекомендации по внедрению ГЭК с установками ВИЭ на территории ЕЧР.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту автором выносятся следующие положения: 1. Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для

энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии.

2. Введена классификация установок ВИЭ по степени гарантированное™ энергоснабжения.

3. Разработана схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.

4. Разработана комплексная расчетная модель на базе MSOfficeExcel, на базе которой проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов.

Достоверность полученных результатовобусловлена использованием известных апробированных методик моделирования отдельных элементов ГЭК.

Личный вклад автора

Автором выполнен анализ современного состояния и перспектив раз-вития ВИЭ в мире и РФ; создание актуальной для условий РФ материально-технической базы ТНУ, СК и СФЭМ; выявление критериев выбора перспективных объектов. Разработана комплексная методика обоснования универсального ГЭК с ТНУ, СК и СФЭМ, основанной на известных математических моделях расчетов отдельных составляющих ГЭК, включая техническое обоснование и технико-экономическую оптимизацию. Данная методика использована при разработке расчетной модели на базе MS Office Excel.

Был проведен сбор исходных данных для выбранного объекта, проведены расчеты, обработаны и проанализированы полученные результатов в табличном и графическом виде.

Практическая ценность работы

Данная расчетная модель была использована при проведении дипломных и выпускных работ по специальности 140202 «Нетрадиционные и Возобновляемые Источники Энергии» в весенних семестрах 2009 - 2013 гг.. Разработки были использованы при выполнении расчетного задания по курсу «Нетрадиционная Энергетика» в осенних семестрах 2009-2013 гг. специальности 140202 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете).

Разработанная расчетная модель может быть использована для проектных и исследовательских расчетов разных компаний, связанных с НВИЭ, а также может эффективно использоваться в учебных программах различных ВУЗов.

Апробация работы.

Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на тринадцати Всероссийских и международных конференциях.

Публикации

По теме работы опубликовано 11 публикаций в сборниках тезисов и трудов конференций, 3 статьи ВАК, получено 1 авторское свидетельство.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 57 наименований, 2 приложений.

Работа изложена на 113 странице основного текста, содержит 30 рисунков, 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов.

Первая глава«Современное состояние и перспективы развития ТЭК в России и Зарубежом» включает обзор современного состоянияТЭК мира и Российской Федерации, в ней отмечена роль ВИЭ генерации в современной энергетике.

Наибольшими темпами будет развиваться ВИЭ. К 2035 г. предполагается удвоение вклада ВИЭ в мировой энергетический баланс (в среднем рост 2,6% в год). Вклад ВИЭ в энергетический баланс за рассматриваемый период возрастет примерно с 6 до 13,5%. Ускоренными темпами предполагается развитие возобновляемой энергетики (малые ГЭС, ветроэнергетические установки (ВЭУ), использование биомассы, солнечные коллекторы (СК), солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), ТНУ и прочее).

Большую роль в развитии ВИЭ играет фотовольтаика. Так, производство СФЭУ в 2009 году составило 11,5 ГВт, прирост производства составил около 56% по сравнению с 2008 годом. С 2000 года общее фотоэлектрическое производство возросло более чем в 30 раз, а ежегодные темпы роста лежат между 40 и 80 %. По различным оценкам, за 2009 год было установлено от 7,1 до 7,8 ГВт мощности СФЭУ. С суммарной установленной мощностью в 16 ГВт страны Евросоюза (ЕС) лидируют по СФЭУ с более чем 70% от общей мировой мощности в 22 ГВт СФЭУ по состоянию на конец 2009 года. Лидеры по ежегодному вводу мощностей СФЭУ -Германия с 2,3 ГВт, Италия с 730 МВт, Япония с 484 МВт, США с 470 МВт, Чехия с 411 МВт и Бельгия с 308 МВт (по данным на 2010 год).

В связи с преобладанием тепловой энергии в энергетическом балансе солнечная тепловая энергетика является второй важнейшей составляющей возобновляемой энергетики. Так, помимо использования СК для подогрева горячей воды и нестандартных способов преобразования солнечной энергии (солнечные пруды, солнечные печи, солнечные кухни и т.д.) существует перспектива использования солнечной энергии в гибридных энергокомплексах, например, вместе с газовыми, теплонасосными или биореакторными установками. Внедрение гибридных энергокомплексов сможет обеспечить стабильность региональной или даже национальной энергетику.

Солнечная тепловая энергетика развивается крайне агрессивно. Самый большой рынок данного сектора энергетики расположен в Европе. В странах ЕС в последние годы средний ежегодный прирост мощности солнечных тепловых установок составляет 2,7 ГВт. Общая мощность установленных к концу 2009 года систем достигла 22,1 ГВт (или 31,6 млн. м2 площади СК). Активнее всего рынок СК развивается в Германии - он ежегодно удваивается, в то время как в небольших

странах ЕС (Ирландия, Португалия) только развивается. Главная причина тому -газовый кризис в Европе в 2008 году из-за прекращения поставок газа через Украину.

После газового кризиса 2008-2009 годов в некоторых странах ЕС внедрение СК является обязательным при постройке новых сооружений. Солнечная энергетика может обеспечить выработку тепловой энергии без выбросов СО и СОг по всему миру.

В качестве основного теплогенератора в бивалентные гибридные схемы внедряются геотермальные ТНУ - машины, переносящие тепловую энергию от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Технологическое преимущество геотермальных ТНУ перед солнечными коллекторами - стабильная работа круглый год вне зависимости от климатических условий .

Сектор ТНУ в Европе является свидетелем сложной ситуации, сложившейся на рынке тепло- и хладоснабжения в 2010 году. Она характеризуется множеством факторов, как положительных, так и отрицательных. Продолжающийся глобальный экономический и финансовый кризис продолжает сказываться на доступности кредитов, а также негативно влияет на доверие потребителей к долгосрочным инвестициям. Замедление развития строительного сектора во многих странах Европы приостановило деятельность во многих областях, которые имели значительный рост в 2006-2008 годах.

Общая неопределенность ближайшего будущего привела потребителей к учету в первую очередь стоимости продукции, или переносу принятия решений на более поздний срок. Наконец, сравнительно низкая цена на нефть и газ в течение большей части этого периода предоставила сложные условия для окупаемости ТНУ за счет более низких эксплуатационных затрат, и как следствие, их окупаемости.

Так же в данной главе была дана полная оценка ресурсов традиционных видов топлива в Мире и в РФ, даны прогнозы по доступности данных топлив в ближайшей перспективе.

Вторая глава«Методическая, ресурсная и техническая база по ВИЭ в России» посвящена обзору:

- основных публикаций по теме работы (монографии, научные пособия, публикации в ведущих периодических изданиях)

- современного методического пособия расчетов ГЭК с ВИЭ (существующее программное обеспечение, а также нормативные документы)

- оборудования ВИЭ, представленного в России.

Характеристики всех моделей рассматриваемого оборудования приведены в табличном виде в Приложении 1.

Третья глава посвященапостановке задачи и исходным данным. Проблема теплоснабжения является особенно актуальной и для России, так как на теплоснабжение уходит более 50% энергии ТЭС и АЭС в год. Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Потери тепла в сетях страны значительно превосходят нормативные показатели. При этом две трети всей территории России (с населением от 20 до 25 миллионов человек) не имеет сегодня другого основного надежного источника энергоснабжения кроме ДЭУ, которым требуется огромное количество все более и более дефицитного дизельного топлива

при его отрицательном влиянии на окружающую среду. А этому уже давно уделяется огромное значение в мире и, в последнее время, в России.

В качестве наиболее перспективных объектов к внедрению ГЭК с ВИЭ можно отнести:

1.Дачные кооперативы (50 - 500 домов до 500 м2) в Европейской части РФ

2. Удаленные села, деревни в северной и восточной частях России

3. АЗС и многофункциональные АЗК, размещенные на окраинах городов и вдоль крупных автомагистралей

4. Метеопосты и метеостанции

5. Военные части в удаленных регионах страны

6. Небольшие заводы по добыче и переработке полезных ископаемых

7. Любые другие объекты, имеющие проблемы с энергоснабжением.

Так как основной вид топлива на таких объектах - привозное дизельное топливо, либо сжиженный газ, имеющие высокую непрерывно растущую себестоимость из-за сложностей его транспортировки, то различные ГЭК на базе ВИЭ будут иметь положительный экономический и экологический эффект.

Постановка задачи заключается В следующем:разработать методы технического обоснования и оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ, оценки экономической эффективности разрабатываемого энергокомплекса. Решение данной задачи поможет определять целесообразность установки ГЭК с установками ВИЭ как потребителей, так и для проектных компаний.Для решения данной задачи необходимо разработать расчетную модель на базе офисного пакета Excel, которое сможет существенно сократить время расчетов и будет решать следующие подзадачи:

• Провести анализ исходных данных - их наличие, или необходимость введения допущений с последующей оценкой влияние их неопределенности;

• Рассчитать и представить в табличном и графическом виде зависимости тепловой Qo.H. - /(£)> С?конд. = /(t), <2гвс = /(0 и электрической нагрузок N3J1 = f(t);

• Определить технический потенциал местных источников возобновляемой энергии: приход солнечной радиации на горизонтальную и наклонную площадку = /(t), потенциал возможных источников низкопотенциального тепла для ТНУ NTxHy = /(t) в табличном и графическом видах;

• Выбрать основное оборудование, определить распределение нагрузок между составляющими ГЭК: выработку ТНУ = /(t), выработку СК QCK = f(t) и СФЭМ Л[СфЭМ = f(t);

• Провести исследование зависимости параметров энергокомплекса от угла наклона СК /?ск и СФЭМ /?СфЭМ, увеличение выработки СК и СФЭМ в графике нагрузки, изменение СОР теплового насоса от внедрения потребителя-регулятора, изменение потребления электрической энергии ТНУ, изменение количества СФЭМ вследствие откорректированного графика электрических нагрузок;

• Провести технико-экономические расчеты: капиталовложения К, издержки И = /(t), дисконтированные затраты Зд = /(t), срок окупаемости t0K.

Основными исходными данными для численного решения задач являются следующие географические, климатические, технические показатели:

1. Широта <р и долгота тр местности;

2. Заданный расчетный интервал времени Т = 8760 часов (Д£ = 1 час);

3. График среднемноголетних среднечасовых значений температуры атмосферного воздуха taDC (например, по базе данных METEONORM 7.0, Швейцария);

4. График среднемноголетних среднечасовых значений прихода суммарной^;, кВт-ч/м2 и диффузной Эдг, кВт-ч/м2 солнечной радиации на горизонтальную приемную площадку;

5. В случае проведения расчетов гибридного энергокомплекса на стадии проектирования объекта требуется проект архитектурных решений (раздел АР), включающий: поэтажные планы помещений здания, чертежи фасадов здания, описание строительных конструкций и материалов. В случае проведения расчетов применительно к существующему объекту достаточно знать графики тепловых нагрузок, либо мощность теплогенератора;

6. График потребления санитарной горячей воды qrB. = /(t), м3/ч для интервала t = 1 сут для типового буднего и выходного дня;

7. Графики электрической нагрузки объекта Ыэл = /(t).

В четвертой главе«Методика обоснования структуры и параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, CK и СФЭМ»приведены и адаптированы известные методы расчета установок ВИЭ: расчеты ресурсов солнечной энергии, тепловых нагрузок, источника низкопотенциального тепла, экономической эффективности ГЭК. Основные расчетные формулы приведены ниже.

Солнечная радиация, приходящая на приемную произвольно ориентированную площадку, расположенную на поверхности земли, для любого расчетного интервала времени определяется по формуле:

= 3£ + af+ Э&, (1) •

Ry

где Э„р - прямая солнечная радиация - поток излучения, поступающего непосредственно от солнечного диска; ЭдУ - диффузная солнечная радиация -излучение, поступающее от остальной части небосвода, т.е. это СР, отраженная от облаков и частиц воды и пыли, взвешенных в атмосфере Земли; - отраженная СР - излучение, поступающее от поверхности земли.

Прямая СР пересчитывается с горизонтальной поверхности на наклонную для расчетного интервала времени равного одному часу по формуле: Эпр = - Этд) • К^, (2)

где Л"„рС - коэффициент, характеризующий отношение приходов часовой прямой СР на произвольно ориентированную и горизонтальную площадки, данный коэффициент определяется по формуле:

Значения часового угла Солнца для каждого часа t для произвольного и горизонтально ориентированных приемных площадок, ограниченных условиями восхода и захода Солнца на горизонтальной плоскости, определяются по формулам:

üjfy = min (iofy; max 15 • (t - 12))), (4)a>[ =

min(w3r; max(o)£; 15 • (t - 12))) , (5)

часовые углы восхода и захода Солнца на горизонтальной площадке: Шз = + arccos(-tg<p • tgS), (6)

cüß = - arccos(-tg<p ■ tgS), (7)

часовой угол восхода Солнца на произвольно ориентированной площадке:

= тах [со- 2 • агсЬд , (8)

часовой угол захода Солнца на произвольно ориентированной площадке:

= тах [о)3г; 2 • агад -—-J], (9)

Диффузная СР с горизонтальной поверхности на наклонную, для любого интервала времени определяется по формуле:

(!-£)> <10> Солнечная радиация, приходящая на произвольно ориентированную приемную площадку, расположенную на поверхности земли, для любого интервала времени, определяется по формуле:

э|У = (Э£-Э0-Кпр + Э£.(1-^) + Э (11)

Общая тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

<2™. = (1о.п.1 + <2г«л , (12)

В частности тепловая нагрузка на отопление, Вт-ч, для ¡-го часа (¡=1...87б0) определяется по формуле:

Со.Н.1 = <2гр.£ + С?инф( — (¡в.т .1 ~ 12ост.1> (13) где <2тр.г - трансмиссионные потери теплоты через ограждения здания, Вт-ч; (?ИИф 1 -тепловые потери, обусловленные инфильтрацией холодного воздуха, Вт-ч; (?вт( -внутреннее тепловыделение от людей, оборудования, осветительных приборов Вт-ч; <?ост.~ суммарный приход солнечной радиации через все остекленные поверхности постройки, Вт-ч.Отдельно отметим, что значения (}о н1 > 0 означают необходимость отопления объекта, а значения (¡0.нх < 0 означают необходимость кондиционирования объекта.

Основные и добавочные трансмиссионные потери теплоты следует определять, суммируя потери теплоты через отдельные ограждающие конструкции, для к-го помещения для j-го этажа отдельно:

где ()т- трансмиссионные потери или потери через ограждающие поверхности, определяемые по формуле:

(2тр.]к = Р • (¿вн - г„) • (1 + ър) ■ (15)

где Р - расчетная площадь ограждающей конструкции, м2; £:вн- расчетная температура внутреннего воздуха, °С; - расчетная температура наружного воздуха, °С; р - добавочные потери теплоты в долях от основных потерь, по СНиП 41—01— 2003; коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной

поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по СНиП П-3-79; - сопротивление теплопередаче слоя ограждающей конструкции, м2-°С/Вт.

Расход теплоты <2Инфг> Вт-ч, на нагревание инфильтрующегося воздуха в помещениях жилых и общественных зданий при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, следует принимать равным величине, полученных по расчету по формуле; <3инф£ = 0,28 • 1п ■ р • С • 5 • ({вн - ¡а) • к, (16)

где расход удаляемого воздуха, м3/ч, не компенсируемый подогретым приточным воздухом (для жилых зданий рекомендуется принимать 3 м3/ч на 1 м2 жилых помещений); р- плотность воздуха в помещении, кг/м3; с- удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кг-°С; 5 - площадь жилых помещений, м2; к - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях.

Упрощенный вариант расчета грунтового источника НПТ (вертикальных скважин) основывается на средних показателях удельного отбора тепла от земли. При этом используются следующие показатели удельного отбора тепла от погонного метра скважины:

1. Для сухих несвязанных грунтов (например, песок) дуд = 35 — 45 Вт/м

2. Обычные грунты (например, песчаник, сухие глины) цуА = 45 — 60 Вт/м

3. Влажные грунты (например, влажные глины) <?уд = 60 — 80 Вт/м

Необходимая глубина бурения скважин для ТНУ определяется по уравнению: ¿тну = Щщ/ЧуД, ОТ)

где фтау - холодопроизводительность теплового насоса (мощность отбора тепловой энергии от источника НПТ), Вт, которая определяется по уравнению:

^*тну — ^тну — ^тну> (18)

где - теплопроизводительность теплового насоса, Вт; ЛГтэ£у - потребление электрической энергии тепловым насосом, Вт.

Точный метод расчет скважин основывается на расчете суммарной длины£тну, м, при условии, что расстояние между ВГТ не менее допустимого значения 6 метров. Известны параметры ВГТ: диаметры геотермального зонда в скважине с заданным диаметром, материалом труб и вид теплоносителя. Также известны температуры грунта на глубине более 6 м, состав, плотность, влажность грунта, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Известны графики тепловой нагрузки объекта, температура воды на входе и выходе из ТНУ .Известна зависимость СОР от температуры теплоносителя на выходе из ТНУ С®™ (в контуре отопления) и температуры на входе ТНУ (в контуре источника НПТ), которая предоставляется производителем ТНУ, как одна из рабочих характеристик.Влияние на отбор тепла от грунта оказывают такие его свойства как температура ггр, °С - температура грунта в естественном состоянии, плотность р, кг/м3, теплопроводность Я, Вт/м-°С, температуропроводность а, м2/с, и влажность IV, %. Не менее важную роль при определении длины теплообменника £тнуиграет величина его эквивалентного диаметра Оэкв.

Общая длина скважин ¿тну, м, используемых для теплообмена с грунтом в системах теплоснабжения с тепловыми насосами, определяется по формуле:

ТКУ~ Ъ-Ьп-Л* '

где используются следующие символы: йаа - линейное термическое сопротивление грунта, м-°С/Вт; Яь - линейное термическое сопротивление скважины, М'сС/Вт. кт -коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку; К.дт - линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного месяца, м-°С/Вт; -линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного дня, м-°С/Вт; кщ -коэффициент, учитывающий тепловые потери, который принимают равным 1,04. ¿ант, - температура теплоносителя в скважине, °С. - поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин, если расстояние между ними менее 6 метров, °С.,

Усредненная за год величина теплового потока qyA, Вт, определяется по формуле:

% - - Я.71 К- (?) - <Ь„. (?)]■ <*»

где Ггод = 31536000 сек., QXH - годовая потребность в холоде, ГДж.(?т,н. - годовая потребность в тепле, ГДж.т] - СОР теплового насоса, о.е..е - холодильный коэффициент теплового насоса, o.e.

В данной главе введенаклассификацию рассматриваемых типов оборудования по гарантированное™ энергоснабжения.

1. Установки, обеспечивающие гарантированное энергоснабжение:

a. Дизельные и бензиновые генераторы электроэнергии

b. Электрические, жидко- и твердотопливные тепловые котлы

c. ТНУ «грунт-вода»

2. Установки, не обеспечивающие гарантированное энергоснабжение:

a. ТНУ «воздух-вода»

b. СФЭМ (солнечные фотоэлектрические модули)

c. CK (солнечные коллекторы)

Алгоритм обоснования структуры энергокомплекса является линейным и представлен на рисунке 1.

Данные

м

Нагтзки

ЬгС

| Вьшабот Баланс

Выводы

Рисунок 1, Общий алгоритм проведения расчета параметров ГЭК.

Расчет СК заключается в выборе типа, модели и количества СК, которые будут обеспечивать покрытие годового графика тепловой нагрузки <3ТН., кВт-ч/год. Годовая выработка СК определяется по формуле:

ФскД = Э, • 5СК • Т]ск • пск,(21) где 5СК - площадь СК, м2; пск - количество СК;г;ск - КПД СК, %, определяемый по формуле:

_ агДТ а2-АТг

Лек - Чо - "ТТу---7РГ> с«}

где г)о - идеальный КП СК, о.е.; Э?г - приход СР на поверхность СК, кВт-ч/м2; ДГ -перепад температур между окружающей средой и теплоносителем контура СК, □ С; ах — коэффициент линейных тепловых потерь

СК, кВт/м2 ОС; а2 - коэффициент нелинейных тепловых потерь СК, кВт/м2 ОС2. Расчет КПД СК по формуле 22 соответствует требованиям качества солнечных коллекторов 8о1агКеутагк.

Расчет СФЭМ, аналогично СК, заключается в выборе типа, модели и количества СФЭМ, которые будут обеспечивать покрытие определенной доли

годовой электрической нагрузки (?элн, кВт'ч/год. Годовая выработка СФЭМ определяется по формуле:

ЛГ°Д — Y3760 bßY , о .г, .г, '¿сфэм — ¿¡1=1 дсфэм Ч сфэм "сфэм>

где 5Сфэм - площадь СФЭМ, м2; - КПД СФЭМ, %, определяемый: ^сфэм = ^зап • Van • VAU ' V, (24)

где /сзап - коэффициент заполнения солнечного элемента, для прямоугольных элементов 0,98-0,99 o.e., для элементов округлой формы менее 0,9; r]AN - КПД, определяющий потери мощности при последовательной коммутации СФЭМ, обычно 0,9-0,95 o.e.; rjAlJ - КПД, определяющий потери напряжения в сети при передаче энергии от элемента к потребителю, обычно 0,95-0,97 o.e.; rj - КПД СФЭМ, определяющийся материалом элемента, числом слоев и конструкцией.

Экономический смысл расчета дисконтированных затрат состоит в следующем: пусть задана некоторая ставка ссудного процента Е и денежный поток Эс, начало которого совпадает с базовым моментом времени приведения. Тогда дисконтированная величина платежа, выполненного в момент, отстоящий от базового на величину t интервалов, равна величинеЭдС, которая будучи выданной под ссудный процент Е, даст в момент времени t величину Эс. В качестве ссудного процента принимают число, отражающее выгодность инвестиций. Это может быть ставка, рефинансирования, доходность ценных бумаг, депозитных вкладов, показатель инфляции и так далее.

Таким образом, дисконтированная величина платежейЭс равна:

Эдг ■ (1 + ЕУ = Э(, (25)

или:

ЭД£ = Ä' (26)

Является целесообразным провести сравнение не только ГЭК с традиционными тепло- и электрогенерирующими установками, но и провести ТЭО (технико-экономическую оптимизацию) всех вариантов ГЭК. Суть этой идеи заключается в нахождении некого лучшего состава и структуры ГЭК, для которого будет найдено минимальное значение срока окупаемости t0K.

В качестве изменяемых параметров для проведения технико-экономической оптимизации следует принимать количество CK, СФЭМ, а также мощность ТНУ. ТЭО будет возможной, если при любой изменении любого из параметров при уменьшении капитальных затратК в ГЭК ежегодные издержки И будут увеличиваться, и наоборот.

Так как в ТЭО несколько изменяемых параметров, то ТЭО является многофакторной. Ввиду этого вводится допущение - 1) учитывается только связь капитальных затрат К и ежегодных издержек И, а учет таких факторов, как амортизационные отчисления и сервис оборудования не учитывается; 2) ТЭО проводится методом динамического программирования.

В пятой главепроведены расчеты параметров ГЭК и оптимизация его параметров. Оптимизация параметров проведена как статическая, так и динамическая. К статической оптимизации относится оптимизация тех параметров, которые не приводят к изменению структуры энергокомплекса. К статической оптимизации относим изменение угла наклона приемной площадки.

Оптимизация угла наклона приемной площадки (которыми являются солнечные коллекторы и фотоэлектрические модули), как уже говорилось выше, необходима для увеличения выработки СК и СФЭМ 3fy, кВт-ч. Критерий оптимизации - максимум выработки, использованной в графиках тепловой или электрической нагрузки: Э§у -» max. Данная оптимизация не является новой и изучена достаточно глубоко. Автор предлагает свое видение расчетов, результаты которых будут использованы в дальнейшем. Расчет является итерационным, перебор производится по двум показателям - угол наклона /? = [0 ... 90]с с шагом Д/? = 10° и расчетный интервал времени t = [0 ... 8760] часов с шагом At = 1 час.

Для проведения исследований был выбран район Европейской части России, от 48 г.с.ш. до 60 г.с.ш., от 30 г.в.д. до 54 г.в.д. Пример исходных данных приведен на рисунке 2.__________________

> 1 0 11 t,Md i

Рисунок 2. Пример зависимости прихода суммарной СР на горизонтальную приемную площадку, кВт-ч/мес-м2 для точки А. (р = 60° с.ш., гр = 30° в.д.

Годовые значения прихода суммарной СР на горизонтальную приемную площадку по трем базам данных сведены в Таблицу 1.

Таблица 1. Годовой приход СР на горизонтальную площадку, QкВт-ч/гоД'М2

ф\ф 30° 36° 42° 48° 54°

60° 948 938 891 887 887

52° 917 998 972 931 983

48° 1129 1001 1045 1167 1153

44° 1273 1167 1174 1306 1564

Результаты расчетов годовых значений прихода суммарной СР на оптимально наклоненную приемную площадку сведены в Таблицу 2. Пример полученных результатов приведен на Рисунке 3.

Таблица 2. Годовой приход СР на наклонную площадку, QкВт'ч/год'М2

ф\ф 30° 36° 42° 48° 54°

60° 1121 1048 1009 972 1086

52° 1029 1142 1110 1060 1146

48° 1298 1120 1171 1360 1335

44° 1448 1293 1307 1514 1950

Таким образом, оптимизация угла наклона /? дает увеличение прихода суммарной солнечной радиации от 10 до 25%. Так как выработка СК и СФЭМ напрямую зависят от падающей на них солнечной радиации, то и увеличение и выработки в относительных величинах^составит от 10 до 25%. __________

Э, кВТ*Ч/.М!л2 200

160 120 80 40 0

123456789 10 11 12 ______I, мес

Рисунок 3. Пример зависимости прихода суммарной СР на наклонную приемную

площадку, кВт-ч/мес'М2 для точки А. ср = 60° с.ш., гр = 30° в.д.

Были определены оптимальные углы наклона приемной площадки (по критерию максимума прихода СР на приемную площадку для фиксированного в течение года угла наклона (.?). Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3. Оптимальные углы наклона /? для исходных данных по базе Ме1еопогт

7.0.

Оптимальный угол Р Долгота

30° 36° 42° 48° 54°

Широта 60° 42 42 38 35 46

52° 37 39 39 39 41

48° 38 36 36 40 39

44° 37 35 35 38 43

Очевидно, что не существует явной зависимости оптимальных углов наклона приемной площадки ни от широты местности, ни от долготы местности. В первую очередь это объясняется разными значениями альбедо (отражательной способности Земли) для разных точек, и разными долями диффузной радиации.

Была разработана схема ГЭК, отличающаяся повышенными значения коэффициентов преобразования. Данная схема рекомендована для центральных и северных регионов России, где целесообразна работа ТНУ «грунт-вода» (при низких температурах атмосферного воздуха 1а < -20 °С). Источники энергии ГЭК - грунт и солнце. ТНУ является установкой гарантированного теплоснабжения. СФЭМ -установка негарантированного энергоснабжения. Особенности - высокие капитальные затраты в ГЭК (необходимо дорогое бурение по сравнению с ТНУ «воздух-вода»), ГЭК также может работать и на систему охлаждения, в том числе

вырабатывая параллельно тепловую энергию (например, на систему ГВС). Пример принципиальной схемы такого энергокомплекса приведен на рисунке 4.

А.

Рисунок 4. Принципиальная схема ГЭК с ТНУ, СК и СФЭМ

На принципиальной схеме ГЭК с установками ВИЭ: 1 - ТНУ, 2 -водонагреватель (ГВС), 3 - СК, 4 - теплообменник НПТ, 5 - модуль отопления / кондиционирования, 6 - теплоаккумулятор, 7 - топографические СФЭМ, 8 -контроллер заряда АКБ, 9 - АКБ, 10 - инвертор, 11- блок ввода резервного источника электроснабжения, ХВС - холодное водоснабжение, ОВК - потребитель тепловой энергии (отопление / кондиционирование).

Был проведен выбор объекта и проведены расчеты его параметров. В качестве объекта выберем многофункциональные автозаправочные комплексы (АЗК), которые отличаются от простых АЗС комфортом и качеством обслуживания за счет использования современных технологий, внедряемых и при строительстве, и при эксплуатации объекта. Такие комплексы предлагают комплекс услуг для автомобилистов: ресторанную зону, большое количество душевых кабин, гостиничные номера, технические помещения для сервиса и мойки автомобилей, охраняемую парковку. График нагрузки АЗК является сложным, и включает достаточно большие нагрузки на систему горячего водоснабжение (ГВС), мультизональную систему отопления и кондиционирования. Также отличительной чертой АЗК является их размещение либо на окраине города, либо на автотрассах вдали от городов. Ввиду этого зачастую отсутствует возможность организации системы централизованного теплоснабжения, либо газоснабжения. Поэтому чаще всего на АЗК применяются системы электрического отопления и традиционного кондиционирования. В качестве объекта исследования принимаем АЗК со следующими характеристиками:

1. Регион расположения - г. Пермь <р = 60°, = 54°

2. Площадь технических помещений - 500 м2

3. Площадь жилых помещений - 300 м2

4. Известны планы помещений и описание конструкции

5. Расход бытовой ГВС - 1000 л/сут., технологического ГВС - 3000 л/сут.

6. Мощность ТНУ - 50 кВт

■ 7. Оценочная стоимость ГЭК с ВИЭ - 8 090 000 рублей

8. Оценочная стоимость традиционного ГЭК - 770 000 рублей

9. Тариф на электроэнергию для объекта - 14 рублей / кВт'Ч

10. Ежегодный рост тарифов на электроэнергию 6 % / год

11. Стоимость каждого СК - 80 ООО руб.

Таблица 4. Расчет различных ГЭК с разным количеством СК для г. Пермь.

"ск дек X ['НС Э/н. Эвиэ/Этр "ск ПС« х гвс ■ЭЗЛ Эвиэ/Этр

шт. кВт-ч/год % шт. КВТ'ч/год %

0 0 45061 73% 16 26608 38409 77%

1 1663 44645 74% 17 28271 37993 78%

2 3326 44229 74% 18 29934 37577 78%

3 4989 43814 74% 19 31597 37162 78%

4 6652 43398 74% 20 33260 36746 78%

5 8315 42982 75% 21 34923 36330 79%

б 9978 42566 75% 22 36586 35914 79%

7 11641 95198 42151 75% 23 38249 95198 35499 79%

8 13304 41735 75% 24 39912 35083 79%

9 14967 41319 76% 25 41575 34667 80%

10 16630 40903 76% 26 43238 34251 80%

11 18293 40488 76% 27 44901 33836 80%

12 19956 40072 76% 28 46564 33420 80%

13 21619 39656 77% 29 48227 33004 81%

14 23282 39240 77% 30 49890 32588 81%

15 24945 38825 77% - - - - -

Рисунок 5. Расчет выработки разного количества СК и их влияние на общение

потребление первичной энергии ГЭК и на долю выработки энергии установками ВИЭ

для г. Пермь.

Рисунок б.Расчет экономической эффективности внедрения СК в рассматриваемый

ГЭК для г. Пермь.

Затраты, руб.

11000000

10500000

10000000 9500000 9000000 8500000 8000000 7500000 7000000

5 6 7 8 9 1011 ЕЗЗ Стоимость ГЭК

12 13 14 15 16 17 [. - -I Издержки

18 19.

2122 23 24 25 »купаемость

26

Окупаемость, лет

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

27 28 29 30 п ск, шт.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

ТЭК РФ находится на важном этапе своего развития. Энергетика, неотъемлемая часть прогресса и развития мира, оказывает влияние на направления и темпы развития социально-экономической сферы. Диверсификация источников энергии увеличивает возможности человека, а размеры резерва источников энергии часто определяет уровень жизни людей.

Увеличение уровня жизни людей в развивающихся странах требует в разы увеличить добычу первичных источников энергии, что при современном состоянии технологий и добывающих заводов невозможно. Решением проблемы может быть внедрение установок ВИЭ.

В стране было принято решение о целесообразности развития экологически чистых ВИЭ. Уже сейчас в РФ есть перспективы использования энергии солнца, ветра, грунта. Прежде всего, это относится к малой распределенной энергетике.

Был проведен анализ перспективных объектов для внедрения ГЭК, в качестве которых: дачные кооперативы, удаленные поселения, АЗС и многофункциональные АЗК, метеопосты и метеостанции, военные части и некоторые другие. Для формирования универсальной структуры ГЭК были выбраны ТНУ, СК, СФЭМ и тепловые котлы и электрические генераторы с традиционными источниками энергии, для которых были предложены методики обоснования параметров и структуры ГЭК.

Предложена схемы построения ГЭК на базе ВИЭ, которая характеризуется исключительно высокой энергоэффективностью и минимумом выбросов С02 в атмосферу и при этом является инновационной для российского рынка. Дальнейшим возможным путем совершенствования работы ГЭК является повышение энергетической эффективности составных элементов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Афонин B.C., Васьков А. Г., Дерюгина Г. В., Тягунов М. Г., Шестопалова Т.А. Системные свойства гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // «Энергобезопасность и энергосбережение» - №2 (44) - М., МИЭЭ, 2012 г. - Стр. 20-27

2. Афонин B.C., Бавин М.Р., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. Гибридные энергокомплексы возобновляемой энергетики для автономного потребителя с использованием голографических фотоэлектрических батарей // «Альтернативная энергетика и экология» - № 16 - Саров, Научно-технический центр «ТАТА», 2013 г.

3. Афонин B.C., Пугачев Р.В. Гибридные энергетические установки многофункциональных автозаправочных комплексов // «Главный энергетик» - № 5 - М.: «Промиздат», 2014 г.

4. Афонин B.C., Малинин Н.К. Исследование системы энергоснабжения автономного бытового потребителя на базе возобновляемой и нетрадиционной энергетики // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 25-26 февраля 2010 г. -М., МЭИ, 2010 г. - Т.З. - С.433-434

5. Афонин B.C., Малинин Н.К.Исследование системы энергоснабжения автономного потребителя, использующего экологически чистые низкопотенциальные источники энергии // II международная научно-практическая конференция: научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях 29 июня - 2 июля 2010 г. - М. МГСУ, 2010. - Июнь 2010. - С.403.

6. Афонин B.C., Малинин Н.К.Исследование системы энергоснабжения автономного потребителя, использующего экологически чистые низкопотенциальные источники энергии// V международная Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика»- 18-23 октября 2010 г. -М. МЭИ, 2010 г. - С.290-296.

7. Афонин B.C., Малинин Н.К.Исследование системы энергоснабжения автономного потребителя, использующего экологически чистые низкопотенциальные источники энергии в России// УНВсероссийская научная молодежная школа с международным участием "Возобновляемые источники энергии"»- 24-26 ноября 2010 г.-М. МГУ, 2010 г.

8. Афонин B.C., Малинин Н.К. Исследование системы энергоснабжения автономного потребителя, использующего установки на базе ВИЭ // I Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» 14 декабря 2010 г. - М„ МГСУ, 2010 г.- С.167-172

9. Афонин B.C., Малинин Н.К. Исследование перспективности систем энергоснабжения автономного бытового потребителя в России, включающих тепловые насосы // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 24-25 февраля2011 г.-М„МЭИ, 2011 г.-Т.З. -С.377-378

Ю.Афонин B.C., Пугачев Р.В.Исследование эффективности систем энергоснабжения на базе тепловых насосов, солнечных коллекторов и модулей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1-2марта 2012 г. - М., МЭИ, 2012 г.

П.Афонин B.C., Коваленко Е.В., Пугачев P.B. Разработка программного обеспечения для расчета параметров энергокомплекса на базе солнечных модулей, солнечных коллекторов и теплонасосных установок. // IV международная научно-практическая конференция: научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях 26 июня - 29 июня 2012 г. - М. МГСУ, 2012. -Июнь 2012.-С.465-467.

12.Коваленко Е.В.,Афонин B.C., Тягунов М.Г. Анализ систем теплоснабжения на базе теплонасосных установок. // IV международная научно-практическая конференция: научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях 26 июня - 29июня 2012 г. - М. МГСУ, 2012. - Июнь 2012. - С.489-490.

13.Афонин B.C., Пугачев Р.В, Опьхг проектирования теплонасосных установок большой мощности. // Всероссийская молодежная научно-техническая конференция: Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития. 7 декабря 2012 г. - ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ". - М.: AHO "ЦЭРТ", 2012. - С.48.

Н.Афонин B.C., Пугачев Р.В. Современные автономные энергокомплексы повышенной энергоэффекгивности с ТНУ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28 февраля - 1марта2013 г. -М., МЭИ, 2013 г.

15. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620869. Специализированная база данных «Климатологические и теплотехнические строительные референсные показатели» / Афонин B.C., Малинин Н.К., Пугачев Р.В., Тягунов М.Г.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» - №22012620869; заявл. 28.06.2012;опубл. 28.08.2012.

Подписано в печать Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

04201458458

на правах рукописи

АФОНИН Вячеслав Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБОСНОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА, СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

Специальность 05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. ПУГАЧЕВ Р.В.

Москва 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................................4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................10

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЭК В РОССИИ И ЗАРУБЕЖОМ..........................................................................17

1.1 Современное состояние и перспективы развития ТЭК в мире...............................17

1.2 Современное состояние ТЭК в России............................................................28

1.3 Недостатки использования традиционного топлива............................................35

1.4 Основные выводы......................................................................................37

2 МЕТОДИЧЕСКАЯ, РЕСУРСНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ПО ВИЭ В РОССИИ....................................................................................................39

2.1 Обзор основных публикаций по теме работы....................................................39

2.2 Методическое обеспечение расчетов энергокомплексов ВИЭ...............................41

2.3 Обзор оборудования ВИЭ, представленного в России.........................................43

2.4 Основные выводы......................................................................................47

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ...............................48

3.1 Выбор объекта..........................................................................................48

3.2 Постановка задачи.....................................................................................51

3.3 Основные исходные данные.........................................................................52

4 МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТНУ, СК И СФЭМ........................................................................................................54

4.1 Алгоритм расчета прихода солнечной радиации................................................54

4.2 Алгоритм расчета тепловой нагрузки объекта...................................................56

4.3 Алгоритм расчета источника низкопотенциального тепла ТНУ.............................59

4.4 Методика обоснования структуры и параметров ГЭК.........................................66

4.5 Применение методики расчета дисконтированных затрат в рассматриваемые ГЭК............................................................................................................70

5 МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТНУ, СК И СФЭМ.......................................................................................................74

5.1 Оптимизация гибридного энергокомплекса......................................................74

5.2 Оптимизация угла наклона СК и СФЭМ..........................................................76

5.3 Разработка новых типов ГЭК и оптимизация их параметров.................................79

5.4 Расчет гибридного энергокомплекса...............................................................84

5.5 Расчет экономической эффективности ГЭК......................................................89

2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................91

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................92

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................98

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................108

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

2

а, м /с - температуропроводность

ав, o.e. - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности

ан, o.e. - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности

Aß, град - шаг изменения угла наклона

ß, o.e. - добавочные потери теплоты

ßCK, град - угол наклона CK

/?сфэм, град - угол наклона СФЭМ

Ö, град - склонение Солнца

£, o.e. - холодильный коэффициент преобразования ТНУ

rj, o.e. - тепловой коэффициент преобразования (СОР) ТНУ

г], o.e. - идеальный КПД СФЭМ

г]ск, o.e. - КПД солнечных коллекторов

77о, o.e. - идеальный КПД солнечных коллекторов

г)сфэм, o.e. - фактический КПД солнечных фотоэлектрических модулей

?7ддг, o.e. - КПД, определяющий потери мощности при последовательной

коммутации СФЭМ

Vaи> ое- - КПД, определяющий потери напряжения в сети при передаче энергии от СФЭМ к потребителю у, град - азимут

Я, Вт/м-°С - расчетный коэффициент теплопроводности

р, o.e. - альбедо поверхности

р, кг/м3 - плотность воздуха в помещении

р, кг/м3 - плотность грунта

р, кг/л - плотность воды

(р, град - широта местности

xfj, град - долгота местности

w, % - влажность

ßv

щ , град - часовой угол для произвольно ориентированной площадки 0)1, град - часовой угол Солнца для горизонтальной площадки

cof7, град - часовой угол восхода Солнца для произвольно ориентированной площадки

сград - часовой угол захода Солнца для произвольно ориентированной площадки

Сс>в, град - часовой угол восхода Солнца для горизонтальной площадки 0)1, град - часовой угол заката Солнца для горизонтальной площадки аг, кВт/м °С - коэффициент линейных тепловых потерь CK

"У 0

а2, кВт/м °С - коэффициент нелинейных тепловых потерь CK с, кДж/кг-°С - удельная теплоемкость воздуха

г Вт-ч

Сп,--теплоемкость воды

DBH, м - внутренний диаметр геотермального зонда D3KB, мм - эквивалентный диаметр Dy, мм - условный проход

кзап, o.e. - коэффициент заполнения солнечного элемента h, м - толщина конструкции

F, м2 - площадь поверхности F0, o.e. - число Фурье

G, o.e. - вспомогательный коэффициент

к, o.e. - коэффициент учета влияния встречного теплового потока kHL, o.e. - коэффициент, учитывающий тепловые потери кт, o.e. - коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку КпрС, o.e. - отношение приходов часовой прямой СР на наклонную и горизонтальную площадки Ln, м3/ч - расход удаляемого воздуха LTHy, м - общая протяженность геотермальных скважин 71 - номер характерных суток

^сфэм> кВт-ч - выработка СФЭМ

Л/эл, кВт-ч - электрическая нагрузка

Л^?нуВ5 кВт - теплопроизводительность ТНУ «воздух-вода»

N™y, кВт - теплопроизводительность ТНУ «грунт-вода»

Л/^у, кВт - холодопроизводительность ТНУ

Л/^ну, кВт - потребление электроэнергии ТНУ

<7ГВС, л3/ч - расход системы ГВС

дуд, Вт/м - удельный отбор тепла от геотермальной скважины

(2В т, кВт-ч - бытовые тепловыделения

(?гвс, кВт-ч - нагрузка системы ГВС

Финф1> кВт-ч - потери на инфильтрацию

(?конд.> кВт-ч - нагрузка системы кондиционирования

н , кВт-ч - нагрузка системы отопления (}0СТш, кВт-ч - приход СР через остекления (2СК> кВт-ч - выработка СК (2т.н.> кВт-ч - общая тепловая нагрузка (?Трш1, кВт-ч - трансмиссионные потери <2х.н., кВт-ч - общая нагрузка кондиционирования Я0, м °С /Вт - сопротивление теплопередаче конструкции Иь, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление скважины Яда, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта Ида, м°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта для расчетного дня

Ядт, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта для расчетного месяца

Як, м °С /Вт - термическое сопротивление ограждающей конструкции

л

5, м - площадь помещений АЬ, час - интервал времени

Д£, °С - поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин

£а, °С - температура атмосферного воздуха

£ант °С, - температура теплоносителя в скважине

£вн, °С - температура помещений

*т.в.> - температура горячей воды

£гр, °С - температура грунта в естественном состоянии

£ок, лет - срок окупаемости инвестиций

£®ну, °С - температура на выходе из ТНУ (контур отопления)

*тну> °С - температура на входе в ТНУ (контур источника)

£х в, °С - температура холодной (водопроводной) воды

Т, час - расчетный период времени

V, м/с - скорость протока теплоносителя

т/ч - суммарный расход теплоносителя 1А/, т/ч - расход теплоносителя через одну скважину Е, % - ссудный процент Зд, руб. - дисконтированные затраты Зприв, руб. - приведенные затраты И, руб. - ежегодные издержки К, руб. - капиталовложения К°ну, руб. - стоимость ТНУ К°к, руб. - стоимость СК К°|эм, руб. - стоимость СФЭМ

К°рад, руб. - стоимость установок традиционной генерации тепловой и электрической энергии К^ну, руб. - стоимость монтажа ТНУ С6, руб. - стоимость монтажа СК ^сфэм' РУб- - стоимость монтажа СФЭМ

К^рад, руб. - стоимость монтажа установок традиционной генерации тепловой и электрической энергии

М, o.e. - нормативный коэффициент экономической эффективности кВт-ч/м2 - приход суммарной СР на горизонтальную площадку Эд, кВт-ч/м2 - приход диффузной СР на горизонтальную площадку

кВт-ч/м2 - приход суммарной СР на наклонную площадку ЭдУ, кВт-ч/м2 - приход диффузной СР на наклонную площадку Э„р, кВт-ч/м2 - приход прямой СР на наклонную площадку

Э^р, кВт-ч/м2 - приход отраженной СР на наклонную площадку

3t, руб. - денежный поток

ЭдС, руб. - дисконтированные затраты

АБ - аккумуляторная батарея АЗК - автозаправочный комплекс АЗС - автозаправочная станция

ВИЭ - нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

АЭС - атомная электрическая станция

ВТО - Всемирная Торговая Организация

ВЭУ - ветроэнергетическая установка

ГВС - горячее водоснабжение

ГЭК - гибридный энергокомплекс

ГЭС - гидроэлектростанция

ЕС - Евросоюз

ЕЧР - Европейская часть России

МЭА - Международное энергетическое агентство

НПЗ - нефтеперерабатывающий завод

Hill - низкопотенциальное тепло

СР - солнечная радиация

СК - солнечный коллектор

СОР - коэффициент преобразования ТНУ (прим. - от англ. «coefficient of performance»)

СФЭУ - солнечная фотоэлектрическая установка ТНУ - теплонасосная установка ТЭК - топливно-энергетический комплекс ТЭО - технико-экономическая оптимизация ТЭР - топливно-энергетические ресурсы ТЭС - тепловая электрическая станция

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современный топливно-энергетический комплекс (ТЭК) мира функционирует и развивается в особых условиях, которые определяются целым рядом объективных факторов как экономического, так и социально-экологического характера. С одной стороны - это факторы, стимулирующие развитие ТЭК: рост населения Земли и необходимость повышения уровня его жизни во всех странах мира. С другой стороны, сегодня действует целый ряд факторов, сдерживающих развитие ТЭК, которые являются основой экономики всех стран мира. В том числе: реальная ограниченность невозобновля-емых энергетических ресурсов на Земле; их неравномерное распределение по странам мира; непрерывный рост стоимости этих ресурсов; резкое возрастание роли социально-экологических факторов во многом определяющих сегодня темпы и уровни развития мировой экономики в целом. [1]

Всем известно, что основу современного ТЭК мира составляют электростанции и энергоустановки, базирующиеся на использование ископаемых невозобновляемых источников энергии - тепловые электрические станции (ТЭС) и атомные электрические станции (АЭС) а так же традиционные средние и крупные гидроэлектростанции (ГЭС). Все эти электростанции дошли по своим масштабам до такого уровня развития, что оно стало реально сказываться на условиях жизни человека на Земле. Понимая это, большинство стран мира и уже в течение многих десятков лет прилагают усилия для исследования возможностей и внедрения в ТЭК огромных слабо использующихся на земле нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ), обладающих минимальным влиянием на окружающую среду по сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии. [2,3] В связи с этим освоение экологически чистых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является стратегической задачей, опреде-

ляющей перспективы устойчивого развития многих стран, а также удаленных от сетей централизованного энергоснабжения регионов в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и угрозы все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии ВИЭ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе и российский. [4,5]

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения России. Потери тепла в сетях страны значительно превосходят нормативные показатели. Данная проблема может быть решена за счет внедрения теплонасосных установок (ТНУ) в централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения. [6]

Увеличение экологических требований заставляет использовать альтернативные источники энергии и для производства электроэнергии. Кроме того, вступление России в августе 2012 года в ВТО серьезно скажется на энергетической отрасли страны. Ожидается, что вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) приведет к переходу на международные тарифы на энергоносители и к повышению издержек на действующих предприятиях страны. Как следствие, это приведет и к сокращению численности предприятий энергетического сектора и росту безработицы. [7,8] При этом 2/3 территории России с населением 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Солнечная энергетика может стать перспективным источником энергии в данном случае.

Все сказанное выше, а также и другие немаловажные факторы, заставляет весь мир, а в последние годы и Россию, по новому оценить возможности и перспективы использования богатейших ресурсов возобновляемых источников энергии. Поэтому весьма перспективной представляется задача энергоснабжения автономного потребителя комплексными установками на базе ВИЭ.

Цель работы.

Систематизация и анализ существующих информации и методического обеспечения расчетов схем энергоснабжения автономного потребителя на основе теплонасосных установок (ТНУ), солнечных коллекторов (СК) и солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭМ). Разработка алгоритма обоснования и оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения автономного потребителя. Разработка универсального расчетной модели, предназначенной для проведения расчета основных энергетических параметров автономных потребителей, характерных для Европейской части России.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

- анализ рынка потребителей и производителей ТНУ, СК и СФЭМ в России и мире;

- разработка методики технического обоснования параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

- разработка методики технико-экономической оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

- разработка расчетной модели для расчетов параметров ГЭК;

- анализ результатов расчета на выбранном объекте.

Предметом исследования является информационное и методическое обеспечение энергетических расчетов автономного потребителя.

Объектом исследования являются гибридные энергокомплексы для энергоснабжения автономных потребителей.

Методы исследования.

Исследования проводились на основе методов системного анализа, с использованием методов математического и динамического программирования, и численных методов решения задач.

Научная новизна работы.

Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии в виде алгоритмов, формул и таблиц.

Введена классификация рассматриваемых типов оборудования по гарантированное™ энергоснабжения. Разработана инновационная схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.

Разработана комплексная расчетная модель на базе MS Office Excel, на базе которого проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов. Даны рекомендации по внедрению ГЭК с установками ВИЭ на территории ЕЧР.

Практическая ценность.

Данная расчетная модель была использована при проведении дипломных и выпускных работ по специальности 140202 «Нетрадиционные и Возобновляемые Источники Энергии» в весенних семестрах 2009 - 2013 гг.. Разработки были использованы при выполнении расчетного задания по курсу «Нетрадиционная Энергетика» в осенних семестрах 2009-2013 гг. специальности 140202 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете).

Разработанная расчетная модель может быть использована для проектных и исследовательских расчетов разных компаний, связанных с НВИЭ, а также может эффективно использоваться в учебных программах различных ВУЗов.

Личный вклад.

Автором выполнен анализ современного состояния и перспектив развития ВИЭ в мире и РФ; создание актуальной для условий РФ материально-технической базы ТНУ, СК и СФЭМ; выявление критериев выбора перспективных объектов.

Разработана комплексная методика обоснования универсального ГЭК с ТНУ, СК и СФЭМ, основанной на известных математических моделях расчетов отдельных составляющих ГЭК, включая техническое обоснование и технико-экономическую оптимизацию. Данная методика использована при разработке расчетной модели на базе MS Office Excel.

�