ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ВЭУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Статья поступила в редакцию 05.01.10. Ред. рег. № 690 The article has entered in publishing office 05.01.10. Ed. reg. No. 690

УДК 62-69

ОТОПИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ВЭУ

1 2 Н.В. Пронин , Е.В. Соломин

'Южно-Уральский государственный университет

454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел./факс: (351) 263-58-82; e-mail: admin@urc.ac.ru 2OOO «ГРЦ-Вертикаль» 456300 Челябинская обл., г. Миасс, Тургоякское шоссе, д. 1 Тел.: +79123171805, факс: (351) 2647694; e-mail: src-vertical@gmail.com

Заключение совета рецензентов: 15.01.10 Заключение совета экспертов: 20.01.10 Принято к публикации: 25.01.10

В статье дается описание энергосберегающей системы обогрева помещений за счет соединения инфракрасного пленочного электронагревателя непосредственно с обмотками генератора питающей ветроэнергетической установки.

Ключевые слова: отопление, энергетика, ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, электроснабжение, альтернативная энергетика, энергосберегающие технологии.

SYSTEM OF HEATING AT THE BASIS OF WIND TURBINE N.V. Pronin1, E.V. Solomin2

1South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080 Russia Tel./fax 007 (351) 263-58-82; e-mail: admin@urc.ac.ru 2"SRC-Vertical", Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel.: (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694; e-mail: src-vertical@mail.ru

Referred: 15.01.10 Expertise: 20.01.10 Accepted: 25.01.10

The article presents the description of energy saving system of heating quarters with infra-red tape electric heater connected directly to windings of powering wind turbine alternator.

Энергосбережение сейчас становится одним из приоритетов политики любой развивающейся страны. Это связано не только с экономическим и энергетическим кризисом, но и с требованиями экологии. По данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает 30-40%, что значительно выше, чем, например, в западноевропейских странах. Одной из основных причин такого положения являются устаревшие энергорасточительные технологии, оборудование и приборы. Очевидно, что снижение таких издержек позволяет повысить конкурентоспособность бизнеса.

Цель современного энергосбережения состоит в увеличении эффективности использования энергии на базе современных устройств и технологий. После энергетического кризиса 70-х годов XX века именно они стали приоритетными в развитии экономики Западной Европы, а после начала рыночных реформ - и в нашей стране. При этом их внедрение, помимо очевидных экологических плюсов, несет вполне реальные выгоды - уменьшение расходов, связанных с энергетическими затратами.

Существенный экономический и экологический эффект при решении проблем энергосбережения может быть достигнут за счет эффективного освоения нетрадиционных источников энергии. С каждым годом в обществе все больше растет понимание необходимости развития альтернативной энергетики, особенно в тех регионах, которые по комплексу причин не имеют и не будут иметь централизованного энергоснабжения.

В России ветроэнергетика занимает второе место среди альтернативных источников энергии, значительно уступая биотопливной индустрии (особенно твердому топливу). Самая длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних рек, озер и морей -все это наиболее благоприятные места для размещения ветропарков.

Синтез ветроэнергетической установки с энергосберегающими технологиями может обеспечить хорошие показатели как в экономическом, так и в технологическом аспектах. Одним из таких решений, приемлемых на территории Российской Федерации, может являться сопряжение ветроэнергетической

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

установки (ВЭУ) мощностью 3 кВт производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс Челябинской области) и инфракрасного пленочного электронагревателя (ПЛЭН) производства ООО Завод «Рациональные отопительные системы» (г. Челябинск) [1, 2].

ВЭУ представляет собой техническое устройство, предназначенное для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Основными элементами являются: ротор ВЭУ с лопастями, генератор, аэродинамический тормоз, ступица, ферма или мачта (рис. 1).

ВЭУ, как источник энергии, характеризуется малым значением номинальной мощности. В табл. 1 представлена зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра.

Сопрягаемые с таким источником энергии потребители должны эксплуатироваться в режиме минимального потребления энергии.

Пленочный электронагреватель предназначен для экономичного, высококомфортного и эффективного отопления жилых, офисных и производственных помещений, электроподогрева емкостей и резервуаров с жидкостью, бассейнов, утепления пола и т.д. Благодаря оригинальности конструкции система безопасна, чрезвычайно проста, надежна и долговечна.

Рис. 1. Основные элементы ВЭУ Fig. 1. The main components of wind turbine

Таблица 1

Мощность ВЭУ в зависимости от скорости ветра (с учетом КПД электроприборов)

Table 1

Windmill power and energy yield regarding to wind speed

Скорость ветра, м/с 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Мгновенная мощность, кВт 0,06 0,2 0,4 0,7 1,1 1,7 2,5 2,9 3,3 3,4

Дневная выработка, кВтч 1,4 4,8 9,6 16,8 26,4 40,8 60,0 69,6 79,2 81,6

Месячная выработка, кВтч 43 144 288 504 792 1224 1800 2088 2376 2448

Годовая выработка, кВтч 518 1728 3456 6048 9504 14688 21600 25056 28512 29376

ПЛЭН представляет собой многослойное полимерное полотно (рис. 2), внутрь которого интегрирован резистивный нагревательный элемент и алюминиевый экран, выполняющий две основные функции - радиатора для выравнивания температуры на всей поверхности нагревателя и излучающего элемента [2]. ПЛЭН является лишь составной частью построения инфракрасной системы отопления, и применение его отдельно от других элементов (терморегуляторов и теплоот-ражающего теплоизолятора) нецелесообразно.

Рис. 2. Пленочный нагреватель Fig. 2. Tape electric heater

Элементы пленочного нагревателя РОСт собираются и монтируются на поверхности потолка в батареи параллельным соединением (рис. 3).

Электрощш

Потолснный пленочный \ нагреватель РОСт I

Технологическая полоса, питающих концов

Изопон Кабель-канал

Рис. 3. Схема монтажа ПЛЭН Fig. 3. The scheme of setting tape electric heater

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

Температурный режим создается и управляется терморегулятором, установленным на теневой стороне стены. Датчик автоматически включает систему отопления при понижении температуры воздуха в помещении, а при достижении заданной температуры отключает.

Работа системы состоит в следующем:

1. При подаче электроэнергии на элементы РОСт температура поверхности последних достигает +45° С в течение нескольких минут.

2. Тепловой поток от элементов системы напрямую передается поверхности пола и в значительной мере поглощается им, в результате чего его поверхность нагревается (рис. 4).

3. Помещение постепенно наполняется теплым воздухом, при этом его температура максимальна у поверхности пола.

4. По мере достижения заданной температуры воздуха на высоте размещения терморегулятора (1-1,5 м от пола) последний отключает питание системы.

5. Наступает период, в течение которого пол продолжает отдавать воздуху аккумулированное в нем тепло. Этот процесс занимает около 90% общего цикла.

6. Как только поверхность пола не может обеспечить достаточный дебет тепла и температура воздуха на уровне терморегулятора упадет на 1° ^ система включится и начнется новый цикл.

V V V V

Рис. 4. Тепловые потоки Fig. 4. The flow of heat

Пленка может быть закрыта любым видом строительной отделки. Температура в помещении регулируется с помощью терморегулятора вручную, автоматически и дистанционно. Система не требует обслуживания. При необходимости пленочный нагреватель может монтироваться в стенах и под напольным покрытием. Система работает 5-10 минут в час. Остальное время расходует накопленную энергию. Продукция сертифицирована, успешно прошла эксплуатационные испытания в детских садах, жилых домах и квартирах, офисных и производственных помещениях, на фермах и т.д.

Пленочный электронагреватель позволяет обогревать помещения с наименьшим потреблением электроэнергии. Если при конвективном способе отопления необходимо затратить порядка 100 Вт для отопления 1 м2, то при использовании инфракрасных нагревательных элементов достаточно 15 Вт при условии, что система вышла на режим, а здание (помещение) соответствует СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», при этом высота потолков не более 3 м, температура на терморегуляторе +20° С.

Система «ВЭУ-ПЛЭН» рассматривалась в виде двух обособленных независимых друг от друга блоков. Выход ВЭУ должен был представлять синусоидальное напряжение 220 В/50 Гц, вход ПЛЭН был также рассчитан на аналогичное напряжение (рис. 5).

^^^^^^ Потребитель

Регулятор АКБ

Рис. 5. Схема сопряжения ВЭУ и ПЛЭН Fig. 5. The scheme of connection of wind turbine with tape electric heater

Однако такая система имеет очевидные потери. Из-за многократных преобразований (обмотки генератора-регулятор-инвертор-потребитель) потери энергии составляют почти 40% от энергии, вырабатываемой ВЭУ. Учитывая стоимость элементов преобразования, можно сделать вывод о нецелесообразности такой схемы.

В связи с этим учеными Южно-Уральского государственного университета, ООО «ГРЦ-Вертикаль» и ООО «Рациональные отопительные системы» были проведены совместные испытания по сопряжению обмоток генератора сверхмалой ветроэнергетической установки и инфракрасного пленочного нагревателя с практически полным исключением цепи инвертирования электроэнергии (рис. 6).

ПЛЭН подключается к клеммам трехфазного генератора ВЭУ через простейший регулятор, позволяющий стабилизировать постоянное напряжение 48 В за счет параллельного включения в его цепь четырех последовательно соединенных аккумуляторов с напряжением 12 В. Напряжение генератора ВЭУ, являющегося переменным по фазе, частоте и амплитуде, меняется от 0 до 300 В, а на выходе регулятора поддерживается постоянное напряжение 48 В.

112 International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Установлено в помещении

АКБ

J4^ _,

Контроллер Нагреватель — ПЛЭН

-60.. .250 +48 V

Рис. 6. Схема подключения ПЛЭН к ВЭУ-3 через регулятор Fig. 6. The scheme of connection of tape heater with wind turbine via controller

Данная схема позволила обеспечить непрерывный обогрев помещений, удовлетворяющих требованиям СНиП 23-02-2003, и прогнозировать эффективность использования такой системы для широкого исполь-

зования. При этом важно правильно подобрать параметры ВЭУ и ПЛЭН по их характеристикам.

Приведем последовательность расчета при проектировании такой системы.

1. Определяем ветровой потенциал района.

2. Определяем площадь, которую необходимо обогреть. Через коэффициент покрытия находим площадь ПЛЭН (табл. 2).

3. Находим нагрузку потребителя и с учетом количества безветренных дней проектируем аккумуляторную батарею.

4. Определяем мощность, которую нужно снимать с ВЭУ, с учетом потерь.

5. Производим анализ проектируемой системы с учетом пиковых нагрузок.

Таблица 2 Table 2

Зависимость коэффициента покрытия от температуры Climatic coefficient regarding to outdoor temperature

Смонтировано на ВЭУ

Генератор

A

/ л_

Средняя зимняя температура за холодную пятидневку, °С -50 -45 -40 -35 -25 -l5 выше - l5

Коэффициент покрытия Кп l,00 0,90 0,8 0,65 0,60 0,55 0,50

Пиковые нагрузки, выход системы на рабочий режим характеризуются значительным потреблением мощности: в среднем 200 Вт с 1 м2. Такая мощность не может быть получена от ВЭУ. Но ее можно получить с АКБ, реализовав режим запуска. В нормальном режиме ВЭУ компенсирует затраченную энергию. Кроме того, при применении контроллера, позволяющего производить последовательный нагрев помещений за счет поочередного прогрева, можно отапливать одновременно несколько площадей либо уменьшить нагрузку во время пуска.

Рис. 7. Совместная работа ВЭУ и сети Fig. 7. Mutual operation of wind turbine and grid

Определим основные направления по повышению эффективности работы системы:

1. Уменьшение электрических потерь при преобразовании энергии.

2. Уменьшение тепловых потерь.

3. Поиск более совершенных систем и методов аккумулирования энергии.

4. Возможность питания как от ВЭУ, так и от других источников (рис. 7, 8).

5. Вариант непосредственного питания с клемм ВЭУ.

Рис. 8. Совместная работа ВЭУ, сети и дизель-генератора Fig. 8. Mutual operation of wind turbine, grid and diesel generator

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

11B

Система может быть использована для отопления жилых объектов, находящихся на значительном расстоянии от систем централизованного отопления, электроснабжения и газоснабжения (дачи, фермы, туристические базы, рыболовецкие и охотничьи хозяйства, временные вагончики вахтовых бригад, геолого-разведочных партий, пограничных постов и других аналогичных объектов). Целесообразно использовать эту систему и в том случае, если затраты на отопление с помощью традиционных приемов превышают затраты на решение этой же задачи с использованием системы «ВЭУ-ПЛЭН».

В комплекте с ветроустановкой также могут использоваться водоочистные системы, установки вы-

деления водорода и кислорода из воды, системы бесперебойного питания на аккумуляторных батареях или водороде, системы питания водородом автомобилей и других агрегатов, холодильное оборудование и многое другое.

Список литературы

1. Соломин Е.В. Продукция // Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль» www.src-vertical.com. Челябинск, 2007.

2. Панасюк И.Н. Продукция // Сайт ООО Завод «Рациональные отопительные системы» www.zavod-rost.ru. Челябинск, 2008.

4-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

SNEC PV POWER EXPO 2010

Время проведения: 05.05.2010 - 07.05.2010

Место проведения: Китай, Шанхай

Темы: Высокие технологии, инновации, Оптика, лазерные технологии, фотоника, Электроника и электроэнергетика, Энергетика

PV POWER EXPO 2010 состоится 5-7 мая в новом Шанхайском выставочном центре Shanghai New International Expo Center. За 4 дня до открытия выставки откроется всемирная выставка EXPO 2010

Шанхайская ассоциация производителей новой энергии (SNEIA) проводит совместную Европейско-Китайскую международную выставку по фотовольтаической энергетике и сопутствующую ей конференцию. Целью этого мероприятия является развитие китайской фотовольтаической промышленности путем укрепления кооперации и взаимовыгодного обмена между китайским и международным рынком. По прогнозу, именно в Китае предполагается самый крупный потенциал для развития фотовольтаики.

Несмотря на бушующий во всем мире экономический кризис выставка SNEC (2009) PV POWER EXPO собрала 1032 участника на площади 60000 кв. м, зарегистрировано почти 60000 посетителей-специалистов.

Выставка охватывает следующие основные разделы:

- Производственное оборудование - Изделия для солнечной энергетики

- Фотоэлементы и Солнечные панели - Фотовольтаические разработки

- Компоненты - Системная интеграция и др.

- Материалы для солнечной энергетики

a International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010