CC BY
69
Кушнир В.Г. Kushnir VО.
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Машины,
тракторы и автомобили» Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Кошкин И.В. КоиИкш I. V.
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Электроэнергетика и физика» Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Кошкина А.И. Koshkina А.1.
студентка Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Кушнир А.С. Kushnir A.S.
аспирант Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
УДК 621.668
ОБОСНОВАНИЕ АВТОНОМНОСТИ ПИТАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА СИСТЕМЫ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ СОЛНЕЧНОЙ СТАНЦИИ
Преобразование солнечной энергии на сегодняшний день является одно из перспективных направлений в энергетике.
Костанайская область и Казахстан в целом занимает далеко не ведущие место по выработки электрической и тепловой энергии от солнечных станций и преобразователей. Причиной этого является в технической сложности создания благоприятных условий для эксплуатаций солнечных электростанций в данных условиях. Важным аспектом для развития солнечной энергетики в Костанайской области является изучение местности северного региона Казахстана и анализ энергетических параметров солнечных преобразователей находящихся на данной территории.
В статье приводятся исследования использования фотоэлектрических солнечных преобразователей в северном регионе Республики Казахстан. Указано, что фотоэлектрические преобразователи могут использоваться не только для нужд производства, но и каждым человеком для автономного электроснабжения. Особое внимание уделено исследованиям и анализу уже существующих преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию.
Произведен выбор солнечной электростанции для питания циркуляционного насоса системы горячего водоснабжения. Благодаря исследованиям по солнечной радиации была получена таблица солнечной радиации с усредненными данными, которая взята за основу для определения необходимой мощности циркуляционного насоса. Приведены условия выбора для контроллера, инвертора, аккумуляторных батарей в различных режимах работы фотоэлектрических элементов. Так же был произведен технико-экономический расчет предложенного решения. Срок окупаемость получился 5,23 года. Данный срок окупаемости хоть и большой, но этот срок меньше срока службы солнечной электростанции.
Ключевые слова: солнечная батарея, контроллер, аккумуляторная батарея, солнечный коллектор, циркуляционный насос.
JUSTIFICATION INDEPENDENT POWER SUPPLY CIRCULATING PUMP DHW
SOLAR STATION
The conversion of solar energy today is one of the promising areas in the energy sector.
Kostanai region and Kazakhstan in general is not among the leading place in the generation of electricity and heat from solar stations and transmitters. This is due to the technical complexity of creating favorable conditions for the operation of solar power plants in these conditions. An important aspect for the development of solar energy in the Kostanai region is the study area of the northern region of Kazakhstan and analysis of the energy parameters of solar inverters are in the area.
The article presents the study of the use of photovoltaic solar inverters in the northern region of the Republic of Kazakhstan. It is indicated that the photoelectric converters can be used not only for the needs of production, but also every man for autonomous power supply. Particular attention is paid to research and analysis of existing converters of solar energy into electrical energy.
Produced selection of solar power to power the circulation pump hot water system. Through research on solar radiation was obtained table with average solar radiation data, which is taken as the basis for determining the required capacity of the circulating pump. The conditions for the selection of the controller, inverter, batteries in various modes of operation of photovoltaic cells As has been made technical and economic assessment of the proposed solutions. Payback period 5,23 years turned out. This payback, though large, but this term is less than the life of a solar power plant.
Keywords: solar battery, controller, accumulator battery, solar collector, circulation pump.
Солнечная сплит-система набирает популярность у населения и общественности для отопления и горячего водоснабжения домов, удаленных от централизованных систем дачных участков, общежитий, турбаз, и т.д.
Всесезонная солнечная сплит-система в классической комплектации состоит из вакуумного солнечного трубчатого коллектора; бака горячей воды с одним или двумя теплообменниками с датчиками уровня и температуры воды; рабочей станции
с циркуляционным насосом и встроенным контроллером автоматического управления, расширительным бачком [2,3].
В общем случае солнечная всесезонная сплит-система содержит замкнутый контур, по которому циркулирует хладагент.
В сплит-системе циркуляционный насос необходим для исключения явления застоя воды и перегрева системы [2,3].
7х Т
Рис. 1. Предлагаемая схема солнечной сплит-системы
1-солнечный коллектор, 2-теплообменник, 3-циркуляционный насос, 4-клапан, 5 - солнечный фотоэлемент, 6-контроллер, 7-аккумуляторная батарея
Предлагаемая ранее система [1] представляла вирования дублирующим насосом. Снижения уровня
собой двухконтурную схему, где для первого контура надёжности эксплуатации системы компенсируется
характерен замкнутый цикл с циркуляцией хладагента, эффективным схемным решением и высоким сроком
а второй контур является водопроводным, по кото- службы аппаратной части системы. Система горячего
рому протекает питающая систему вода. Оба контуры водоснабжения представлена на рисунке 1. соединены через бак накопитель - теплообменник. В Основным условием эффективности использо-
предлагаемой системе единственный элемент - цирку- вания солнечных батарей для выработки электриче-
ляционный насос, запитывается не от внешней элек- ской энергии является зависимость между сроком
трической сети, а от солнечной батареи, выполняющей окупаемости оборудования и сроком службы этого
роль источника электроэнергии как для насоса, так и оборудования. Поэтому проектирование солнечной
для других потребителей в периоды избытка электри- электростанции для электропитания насоса в этом
чества. Причем солнечная панель является основным случае необходимо выполнять как можно точнее. источником питания, исключая резервирования как Выбор солнечной батареи производим по
по первичному источнику, так и по отсутствию резер- условию:
^ВЫРАБАТ. — ^ПОТР. (1)
Потребляемая мощность известна [1] и состав- исследуемого региона, то есть для Костанайской ляет - 432,1Вт-ч в сутки. Для расчета выработанной области, значение дневной инсоляции получили: мощности используется значение инсоляции. Для
Находим энергию, выработанную солнечной батареей:
Е ■ Р
т) _ дневная сб
(2)
5
где Рсб - предполагаемая мощность солнечной батареи.
Выбираем мощность солнечной батареи предварительно 80Вт и вычисляем выработанную энергию:
Рвырабат. = —^^— = 488,85т
Сравниваем потребляемую и вырабатываемую энергию:
488 ^ 432,1
Данное неравенство соответствует выражению Для представления реальных габаритов
(1), и окончательно выбираем одну стандартную солнечной батареи воспользуемся выражением: солнечную панель мощностью - 80Вт.
Р
Д — _СС
(3)
где Рсс - расчетная мощность солнечной батареи, равна расчетов выбирается минимальный по справочным 80Вт; S - плотность потока энергии, данный параметр таблицам, равный 0,7кВт/м2; Г - угол наклона, равен носит изменчивый характер, поэтому для упрощения 74,4°; п - КПД выбираемой батареи, равен 0,2.
л =
0,08
0,7-cos74,4 0,2
= 2,2 M2
Для обеспечения должной работы солнечного водонагревателя необходимо обеспечить правильный тепловой баланс. Данный баланс обеспечивается из-за наличия в системе циркуляционного насоса, который в свою очередь питается электрической энергией выработанной от солнечной станции. Следовательно, работа всей системы горячего водоснабжения напрямую зависит от солнечной электростанции, а точнее от солнечных элементов. Естественно солнечная активность носит изменчивый характер, например, если на улице кратковременно стало пасмурно, то соответственно солнечная радиация падает. Эта кратковременная затененность
на сам солнечный коллектор влияния большого не окажет, так как вода долго остывает почти в 10 раз дольше, чем железо, а вот на солнечную батарею затененность окажет большое влияния, резко снизится вырабатываемая электроэнергия и если в этот момент работал циркуляционный насос, то он просто может перестать работать. Для ликвидации такого явления необходимо использовать аккумулятор электрической энергии. Причем аккумулятор должен быть с неким запасом электрической энергии. Расчет аккумулятор произведем с определения необходимой емкости. Необходимая емкость определяется по выражению:
С = —At U
нв
(4)
где Р - мощность солнечной батареи; и - номи- Для нашего случая этот параметр составляет 12
нальное напряжения; - это время за которое часов, то есть это средняя цифра между зимним и аккумуляторы заряжаться не будут например, ночью, летним временем. при загрязнении или заснеженности солнечных панелей.
80
С = —12 = 12
Естественно емкости 80А-ч будет достаточно для обеспечения должной работы циркуляционного насоса, но при этом аккумуляторная батарея разрядится полностью. Таким образом, необходимо руководствоваться паспортными данными аккумуляторов, например, аккумулятор, в котором исполь-
100Р
зуется электролит, способен выдерживать глубину разряда 50%, а AGM аккумуляторы имеют глубину разряда порядка 70-80%. Таким образом, с учетом вышесказанных доводов выводится формула для определения емкости аккумулятора:
С =
г ■и
р
At
нв
(5)
где Гр - глубина разряда, равна 80%.
С =
100-80
80-12
Еще одним важным фактором при выборе аккумуляторных батарей является расчет по графику нагрузок. Многие электрические приемники работают в разных режимах, например: режим полной
12 = 100^4-4
нагрузки, режим частичной нагрузки, режим холостого хода и так далее. При расчете аккумуляторов по режимам работы электрического потребителя выражение (5) запишется в следующем виде:
(6)
р
где Р1,Р2 - нагрузка; Д^Д^ - временные периоды Согласно графику электрических нагрузок [1]
работы электроприемника при нагрузке Р Р2 - соот- известно, что нагрузка меняется каждый час, таким ветственно. образом, Д1 будет составлять 1час.
С =
100
80-12
0,17 + 3,9 + 11,6 + 22,1 + 35,7 + 45,2 + 49,4 + 55,7 + 49,4 ^ + 49,4 + 4234,721 + 10,11,9
= 45 А-ч
Таким образом, окончательно необходим аккумулятор емкостью 45А-ч.
Так же из выражения (5) и характеристик глубины разряда аккумуляторов AGM выводится коэффициент запаса, который равняется 100/80=1,25. При определении количества аккумуляторных батарей необходимо выбрать рабочее напряжение системы. Так как общая потребляемая мощность циркуляционного насоса маленькая 432,1 Вт, то есть эта мощность маленькая и лежит в пределах от 0 до 1000 Вт, то рабочее напряжение выбираем 12 В. Если потребляемая мощность лежит в пределах от 1000 до 3000 Вт то напряжение выбирается 24В, При потребительской мощности более 3000 Вт рабочее напряжение системы выбирается большего класса - 48В, 120 В и т.д.
Для безотказной работы автономного питания циркуляционного насоса помимо аккумуляторных батарей и солнечных батарей необходимо еще один немаловажный компонент это контроллер (реле) заряда аккумулятора. Данный компонент выполняет связную функцию между солнечными и аккумуляторными батареями. Из предыдущих расчетов стало известно, что напряжения системы было выбрано 12В, таким образом, контролер тоже должен иметь напряжение 12В.
Для экономического обоснования солнечной электростанции необходимо учесть все капитальные
затраты. В нашем случае капитальные затраты будут складываться из затрат на приобретения оборудования, монтажные работы, доставка оборудования до места установки солнечной электростанции. Помимо выбранного оборудования (солнечной батареи, аккумуляторной батареи, солнечного контроллера), для монтажа солнечной электростанции необходимо сконструировать крепежную раму. В качестве основного элемента для крепежа солнечной электростанции используется металлический уголок 45 мм. Из расчетов соответствует, что общая площадь солнечной батареи составляет 3,4 м2. Для этой площади солнечной батареи необходимо 8м уголка. Также необходим ящик автоматики. Немаловажным аспектом при определения затрат на оборудования является коротки срок службы аккумуляторных батарей до 12 лет, по этому в течении эксплуатации солнечной электростанции необходимо их заменить один раз для выравнивания срока службы с солнечными батареями.
Стоимость вышеперечисленного оборудования берется из прайс-листа ТОО «Ро^е^Костанай». Спецификацию оборудования и монтажные работы заполняются в таблицу 1.
Найдем срок окупаемости данной солнечной станции, для этого воспользуемся формулой:
Т-
год
(7)
где З - общие затраты на солнечную электростанцию экономия электроэнергии выраженная в денежном для питания циркуляционного насоса; Э - годовая эквиваленте.
Таблица 1
Спецификация оборудования солнечной электростанции для питания циркуляционного насоса
Солнечная электростанция 80Вт
№ Наименование оборудования, материалов, работ Цена, тенге Кол. Сумма, тенге
1 Солнечная батарея СНШ0-36М 18 000 1шт 18000
2 Контроллер СМ60 60А 12У24У 12 000 1шт 12000
3 Уголок для крепления 45мм 200 8м 1600
4 Аккумуляторы 45А-ч 12 000 2шт 24000
5 Кабель для солнечной электростанции ВВГ (2х4) 190 10м 1900
6 Щит герметичный 1Р-54 с монтажной панелью ЩРН-М для установки автоматики (предохранители) и блоков грозозащиты, распределения нагрузки. 1500 1шт 1500
Итого: 59000
Эгод=РПОтр-Цэ-™Ъ
(8)
где ЦЭ - цена за один киловатт электроэнергии, потребляемая мощность циркуляционного насоса за равный 16 тенге (2015год); РПОТР - максимальная час, равная 0,08 кВт.
Срок окупаемости:
Эгод = 0,08 ■ 16 • 8760 = 1 \2\2тенге
59000 ,. .
Т =-= 5,2 года
11212
Полученный срок окупаемости хоть и большой, но ниже нормативного и меньше срока службы
Список литературы
1. Кушнир В.Г. Выбор солнечных фотоэлементов для рационального электроснабжения циркуляционного насоса гелиосистемы горячего водоснабжения [Текст]/ В.Г. Кушнир, И.В. Кошкин, В.С. Нелепин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2015. - №2. - т.11- С. 9-16.
2. Тлеуов А.Х. Нетрадиционные источники энергии: Учебное пособие [Текст]/ А.Х. Тлеуов -Астана: Фолиант, 2009. - 248 стр.
3. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии [Текст]/ Дж. Твайделл, А. Уэйр; пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.
солнечной электростанции амортизаций.
с учётом ежегодных
References
1. Kushnir V.G. Vybor solnechnyh fotojelementov dlja racional'nogo jelektrosnabzhenija cirkuljacionnogo nasosa geliosistemy gorjachego vodosnabzhenija [Tekst]/ V.G. Kushnir, I.V. Koshkin, V.S. Nelepin // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2015. - №2. - t.11— P. 9-16.
2. Tleuov A.H. Netradicionnye istochniki jenergii: Uchebnoe posobie [Tekst]/ A.H. Tleuov - Astana: Foliant, 2009. - 248 p.
3. Tvajdell Dzh. Vozobnovljaemye istochniki jenergii [Tekst]/ Dzh. Tvajdell, A. Ujejr; per. s angl. -M.: Jenergoatomizdat, 1990. - 392 p.
