CC BY
47
m Энергетика
Ses Power Engineering
Оригинальная статья / Original article УДК 620.92
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-118-126
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОПОТЕРЬ МЕТАНТЕНКА
© А.Д. Овечкин1, Н.Ю. Курнакова2, А.А. Волхонский3
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Российская Федерация, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, д. 132. РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Целью данного исследования является анализ целесообразности использования гелиосистемы для компенсации теплопотерь метантенка биогазовой установки. МЕТОДЫ. В процессе данного исследования использовался метод сравнительного анализа. Расчет доступной солнечной радиации осуществлялся на основе сведений климатологической базы данных Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA SSE) [1]. Расчет гелиосистемы для компенсации теплопотерь метантенка производился на основе методических указаний [2]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Рассчитана гелиосистема для компенсации теплопотерь биогазовой установки, определена требуемая площадь поверхности и количество солнечных коллекторов для каждого месяца года. С целью сокращения затрат на создание гелиосистемы с большим количеством солнечных коллекторов разработана принципиальная схема системы подогрева метантенка с 14 солнечными коллекторами и котлом, работающим на биотопливе. Произведен расчет экономии биотоплива для каждого месяца года при использовании данной схемы. Экономия топлива в декабре составила 153 м3, в июле - 895 м3. ВЫВОДЫ. Из расчета экономии топлива при совместном использовании котла на биотопливе и гелиосистемы можно сделать вывод, что применение солнечных установок для компенсации теплопотерь метантенка при нынешней стоимости солнечных коллекторов экономически малоцелесообразно. Ключевые слова: солнечная установка, метантенк, солнечная радиация, солнечные коллекторы, гелиосистема, биотопливо, альтернативные источники энергии.
Формат цитирования: Овечкин А.Д., Курнакова Н.Ю., Волхонский А.А. Перспективы использования солнечной энергии для компенсации теплопотерь метантенка // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 2. С. 118-126. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-118-126
THE PROSPECTS OF SOLAR ENERGY APPLICATION TO COMPENSATE METHANE TANK HEAT LOSSES A.D. Ovechkin, N.Yu. Kurnakova, Д.А. Volkhonsky
South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov,
132, Prosveshcheniya St., Novocherkassk, Rostov Region, 346428, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The purpose of this paper is the feasibility study of solar power system application for the compensation of heat losses of an anaerobic digester of a biogas installation. METHODS. The study uses the method of comparative analysis. Available solar irradiation is calculated on the basis of data of the climatological database of the National aeronautics and space agency of the USA (NASA SSE) [1]. The solar power system for the compensation of anaerobic digester heat losses is calculated on the basis of methodical instructions [2]. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The solar power system for biogas installation heat loss compensation is calculated. The required surface area is determined as well as the number of solar collectors for every month of the year. In order to reduce the costs of creation a solar power system with a large number of solar collectors a schematic diagram of the methane tank heating system with 14 solar panels and a boiler using biofuel has been developed. The calculation of biofuel economy was carried out for every month of the year when this scheme was used. Fuel saving in December totaled 153 m3, in July - 895 m3. CONCLUSIONS. Having calculated the fuel saving under the combined use of a biofuel boiler and a solar power
Овечкин Алексей Дмитриевич, магистрант e-mail: alekcei.ovechckin@yandex.ru Aleksei D. Ovechkin, Master's Degree Student, e-mail: alekcei.ovechckin@yandex.ru
2Курнакова Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, e-mail: kurnatalya82@mail.ru
Natalia Yu. Kurnakova, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Thermal Power Plants and Heat Engineering, e-mail: kurnatalya82@mail.ru
3Волхонский Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и транспорт-но-технологических комплексов, e-mail: vollkc@mail.ru
Aleksandr A. Volkhonsky, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobiles, Transport and Technological Complexes, e-mail: vollkc@mail.ru
system we conclude that the application of solar installations in order to compensate methane tank heat losses is of low economic feasibility at the present cost of solar panels.
Keywords: solar installation, methane tank (anaerobic digester), solar irradiation, solar collectors (panels), solar power system, biofuel, alternative energy sources
For citation: Ovechkin A.D., Kurnakova N.Y., Volkhonsky A.A. The prospects of solar energy application to compensate methane tank heat losses. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no 2, pp. 118-126. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-118-126
Введение
Потребности современного общества в энергии постоянно растут, а используемые нами ископаемые топливные ресурсы, путем сжигания которых мы получаем практически всю необходимую нам энергию, являются не возобновляемыми. Более того, процесс преобразования этих ресурсов в энергию ежегодно наносит огромный ущерб окружающей среде. Этот ущерб тем больше, чем больше топлива мы сжигаем.
Наиболее экологически чистыми и распространенными альтернативными источниками энергии являются гелиосистемы, преобразующие солнечную энергию либо в теплоту, либо в электроэнергию. Целесообразность использования гелиосистемы зависит от ее эффективности и сто-
имости. Большую часть стоимости солнечной установки составляют солнечные коллекторы, поэтому важным становится тип используемых коллекторов и их количество. Эффективность солнечных установок зависит от климатических условий региона, в котором планируется их использовать. Как бы ни совершенствовалась технология сбора и аккумулирования солнечной энергии, мы не сможем собрать солнечной радиации больше, чем ее фактически приходит на землю от солнца.
Целью данного исследования является анализ целесообразности использования гелиосистемы для компенсации теп-лопотерь метантенка биогазовой установки.
Исходные данные для расчетов
Расчет доступной солнечной радиации в месте планируемой установки гелиосистемы требует наличие специального оборудования, а для получения достоверных результатов такие расчеты должны проводиться в течение нескольких лет. В связи с этим в теплотехнических расчетах обычно используют данные, представленные в нормативных документах. Однако в некоторых из них, приведенные значения суммарной солнечной радиации определены не верно [3]. Поэтому величину суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности можно принять по данным [4]. Также в последнее время для определения суммарной солнечной радиации используются сведения климатологической базы данных Национального
агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA SSE). Она основана на 22-летних фактах спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program's International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP).
Расчет солнечной установки был произведен для условий климата Ростовской области. В табл. 1 для данного региона представлено среднее суточное поступление солнечной радиации на 1 м2 в каждый месяц года [1].
Гелиосистема будет использоваться для компенсации теплопотерь биогазовой установки, описанной в [5]. Энергетический баланс метантенка рассматриваемой установки представлен в табл. 2.
Таблица 1
Результаты исследования NASA радиационного баланса земной поверхности
Table 1
NASA research results of Earth surface radiation balance
Среднемесячная инсоляция на горизонтальную поверхность / Monthly average insolation incident on a horizontal surface
Месяц / Month Янв. Jan Февр. Feb Март Mar Апр. Apr Май May Июнь June Июль July Авг. Aug Сен. Sep Окт. Oct Нояб. Nov Дек. Dec
Солнечная энергия, кВт • ч/(м2 • сут) / Solar 1,27 2,09 2,98 4,09 5,53 5,76 5,86 5,17 3,85 2,38 1,31 1,00
energy, kWh/ (m2 • day)
Восход солнца, ч. мин / Sunrise, h.min 8:04 7:26 6:35 5:33 4:45 4:24 4:40 5:17 5:58 6:39 7:25 8:01
Заход солнца, ч. мин / Sunset, h. min 16:58 17:45 18:27 19:10 19:50 20:19 20:14 19:33 18:34 17:34 16:46 16:32
Долгота дня, ч. мин / Day length, h. min 8:54 10:19 11:52 13:37 15:05 15:55 15:34 14:16 12:36 10:56 9:22 8:31
Электроэнергия от фотопреобр., КПД = 15 %, кВт • ч/(м2 • сут) / Electric energy from photo conversion, efficiency factor =15%, kWh/(m2 • day) 0,191 0,313 0,447 0,613 0,829 0,864 0,879 0,775 0,577 0,357 0,196 0,15
Тепловая энергия при КПД = 75 %,кВт• ч/(м2 • сут) / Thermal energy at efficiency factor of 75%, kWh/(m2 • day) 0,952 1,567 2,235 3,067 4,147 4,32 4,395 3,877 2,887 1,785 0,982 0,75
Из табл. 2 видно, что теплопотери метантенка за счет теплопередачи составляют лишь малую часть общих теплопо-терь, так как габариты метантенка относительно не велики, а его ограждающие конструкции утеплены теплоизоляционными
материалами. Большая часть потребности в теплоте метантенка обусловлена необходимостью подогрева до определенного значения температуры субстрата, регулярно загружаемого в биореактор.
Таблица 2
Энергетический баланс метантенка объемом 10 м3
Table 2
Energy balance of the methane tank of 10 m3 volume_
Месяц / Month Потери теплоты / Heat losses Количество биогаза / Amount of biogas Суточное производство энергии, / Daily production of energy,
Подогрев субстрата, / sub. L сут strate heat up, Qc- L day Теплопередача, ^ / сут Heat transfer, QT,—^ ' ^T day Общие поте- „ МДж , рИ, Q0, мДж / сут Total losses, О ^ 41 day Компенсация потерь, V°, % / Loss compensation, V°,% Производство, Уп°л, % / Production, Vtotal,%
Январь/ January 891 65 956 8,4 91,6 10 415
Февраль / February 891 63 954 8,4 91,6 10 417
Март / March 891 56 947 8,3 91,7 10 424
Апрель/ April 891 44 936 8,2 91,8 10 435
Май / May 784 35 819 7,2 92,8 10 552
Июнь / June 688 31 719 6,3 93,7 10 652
Июль / July 655 29 684 6,0 94,0 10 687
Август / August 685 30 716 6,3 93,7 10 655
Сентябрь / September 836 37 873 7,7 92,3 10 498
Октябрь / October 891 45 936 8,2 91,8 10 434
Ноябрь/ November 891 54 945 8,3 91,7 10 426
Декабрь/ December 891 60 951 8,4 91,6 10 420
Расчет требуемого количества солнечных коллекторов
Одной из главных частей гелиосистемы является солнечный коллектор, который осуществляет непосредственно сбор солнечной энергии. Используя данные, приведенные в табл. 2, рассчитаем необходимое количество солнечных коллекторов, которое потребуется для компенсации теплопотерь метантенка в каждый месяц года. Общую требуемую площадь поверх-
ности солнечных коллекторов для каждого месяца года будем рассчитывать, используя выражение [2]:
S . =
Qoi
3,б^солГПк
м2,
(1)
где дсоЛ[ - суммарная солнечная радиация, падающая на 1 м2 в течение суток в /-й месяц года, кВт • ч/(м2 • сут), принимается со-
гласно табл. 1; Qоi - общие теплопотери метантенка за сутки в ьй месяц года, МДж/сут, принимается согласно табл. 2;
- КПД солнечного коллектора, = 0,75.
Наибольшее распространение на данный момент получили два вида солнечных коллекторов: плоские и вакуумирован-ные. Вакуумированные коллекторы, благодаря использованию в их конструкции вакуумной прослойки, способны сохранить до 95% улавливаемой тепловой энергии [2], что дает им возможность работать в зимний период года значительно эффективнее плоских коллекторов. Поэтому в качестве солнечного коллектора будем рассматривать вакуумные коллекторы фирмы
УюББтапп уйобо! 200-Т. Площадь одного коллектора: / = 3,26 м2.
Тогда требуемое количество коллекторов будет определяться выражением
ni = у, шт.
(2)
Результаты расчета требуемой площади поверхности и количества солнечных коллекторов для каждого месяца года представлены в табл. 3 и на рис. 1. Солнечная радиация в табл. 3 переведена из кВт • ч/(м2 • сут) в МДж/(сут-м2) для наглядности.
Требуемое количество солнечных коллекторов
Таблица 3 Table 3
Required number of sol ar collectors
Месяц / Month Потребность в теплоте, &,МДж/сут / Demand for heat, Q0,M//day Солнечная радиация, Чсол> МДж/(сут • м2) / Solar irradiation, qS0¡,M//(day -rn2) Требуемая площадь, 5к, м2 / Required area, Sk, m2 Кол-во коллекторов, п,шт. / Number of panels, n, pcs Экономия топлива, К,6, % / Fuel saving, К,6, %
Январь / January 956,0 4,57 278,80 86 8,4
Февраль/ February 954,0 7,52 169,06 52 8,4
Март / March 947,0 10,73 117,70 37 8,3
Апрель / April 936,0 14,72 84,76 26 8,2
Май / May 819,0 19,91 54,85 17 7,2
Июнь / June 719,0 20,74 46,23 15 6,3
Июль / July 684,0 21,10 43,23 14 6,0
Август / August 716,0 18,61 51,29 16 6,3
Сентябрь / September 873,0 13,86 83,98 26 7,7
Октябрь / October 936,0 8,57 145,66 45 8,2
Ноябрь/ November 945,0 4,72 267,18 82 8,3
Декабрь / December 951,0 3,60 352,22 108 8,4
S
120,0 ШТ. / pcs
100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0
f Jf ^ J> *
of «S»
<9
N, *><f *><f ^ *><? ^ ^ ¿F yO
Рис. 1. Требуемое количество солнечных коллекторов в каждый месяц года Fig. 1. Required number of solar collectors in every month of the year
Так как стоимость одного коллектора УюББтапп уНобо! 200-Т, согласно [6], составляет Р = 2 321 евро/шт., то установка
50, а тем более 100 коллекторов является экономически не целесообразной.
Оценка совместной работы гелиосистемы и котла на биотопливе
Гелиосистему можно использовать совместно с котлом, работающим на биогазе, как показано на рис. 2. Проведем анализ целесообразности использования такой схемы отопления. Для этого выберем такое количество коллекторов, при котором не получим избытков теплоты в летний период года и сможем сэкономить топливо в зимний период. Например, при установке п = 14 солнечных коллекторов можно скомпенсировать теплопотери метантенка летом и получить определенную экономию топлива зимой. Определим стоимость 14 коллекторов:
Qкi = 3,6 • qсолi • Пк • п • С МДж/сут. (3)
Низшая теплота сгорания получаемого в метантенке биогаза, согласно [5], составляет = 25,0 МДж/м3, тогда экономия биогаза в каждый месяц года составит:
V6 = QKi, м3/сут.
QH
(4)
Рассматриваемая биогазовая установка в сутки производит порядка Уб = 450 м3 биогаза [5], тогда доля сэкономленного биотоплива
К = п-Р = 14 штх х 2 321 евро/шт = = 32 494 евро = 2 210 404 руб.
Количество теплоты, собираемое солнечными коллекторами в каждый месяц года, определяемое из выражений (1) и (2), будет равно:
Y6i = ■ 100% .
v6
(5)
Результаты расчета экономии топлива при использовании гелиосистемы с 14 коллекторами совместно с котлом на биотопливе в каждый месяц года представлены в табл. 4 и на рис. 3.
6
Рис. 2. Принципиальная схема системы подогрева метантенка Fig. 2. Schematic diagram of the methane tank heating system
Таблица 4
Экономия биотоплива при использовании 14 солнечных коллекторов
Table 4
Biofuel saving when using 14 so far panels
Месяц / Month Солнечная радиация, Чсол, МДж/(сут • м2) / Solar irradiation, qS0¡,M// (day • m2) Теплота, полученная солнечной установкой, QK, МДж/сут /Caloric radiation obtained by a solar cell panel Qfr,M//day Экономия топлива / Fuel saving
l^6, м3/сут l^6,m3/day l^6, м3/мес l^6,m3/montft
Январь / January 4,57 156,5 6,26 194,1 1,39
Февраль / February 7,52 257,5 10,30 288,5 2,29
Март / March 10,73 367,2 14,69 455,4 3,26
Апрель / April 14,72 504,0 20,16 604,8 4,48
Май / May 19,91 681,5 27,26 845,0 6,06
Июнь / June 20,74 709,8 28,39 851,8 6,31
Июль / July 21,10 722,1 28,88 895,4 6,42
Август / August 18,61 637,1 25,48 790,0 5,66
Сентябрь/ September 13,86 474,4 18,98 569,3 4,22
Октябрь / October 8,57 293,3 11,73 363,7 2,61
Ноябрь/ November 4,72 161,4 6,46 193,7 1,43
Декабрь / December 3,60 123,2 4,93 152,8 1,10
м3/сут / m3/day 35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
Рис. 3. Экономия топлива за сутки при использовании 14 солнечных коллекторов в каждый месяц года Fig. 3. Fuel saving per day when using 14 solar panels every month of the year
Из расчета экономии топлива при совместном использовании котла на биотопливе и гелиосистемы видно, что использование солнечной установки позволяет сэкономить определенное количество топлива. Однако биогаз по определению явля-
ется дешевым энергоресурсом (порядка 30 долл. за 1 000 м3), и оправдать полученным эффектом экономии топлива затраты на дорогостоящие солнечные коллекторы не представляется возможным.
Заключение
Направление альтернативных источников энергии в последнее время активно развивается. Вакуумные солнечные коллекторы в настоящий момент являются наиболее эффективными устройствами, использующими энергию солнца. В целом гелиосистема считается экологически чистой и безопасной, так как при ее работе отсутствуют вредные выбросы в атмосферу и производственные отходы, нет необходимости прибегать к технологиям горения или отработки, присущим всем другим источникам генерации тепла. К преимуществам солнечной установки можно отнести
ее экономичность, так как солнечная энергия бесплатна и не имеет тарификации. А главное - это возможность использования современных гелиосистем круглогодично, даже в условиях минимального солнечного излучения. Но, как показали расчеты, есть и отрицательный момент в использовании данных установок - высокая себестоимость, которая может доходить до 10 000 у.е. в зависимости от комплектации и производителя солнечной установки. Поэтому на данный момент гелиосистема все еще остается дорогостоящей установкой.
Библиографический список
1. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set [Электронный ресурс]. URL: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ (accessed 24 Dectmber 2016)
2. Ефимов Н.Н., Попель О.С., Папин В.В.. Нетрадиционная теплоэнергетика. Солнечные энергоустановки. Новочеркасск: Изд-во Лик, 2015. 148 с.
3. Малявина Е.Г. Теплопотери здания, Москва: АВОК-ПРЕСС, 2007. 144 с.
4. Научно-прикладной справочник по климату СССР, Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. 725 с.
5. Полищук В.М., Дубровин ВА., Полищук А.В., Энергетический баланс метантенка биогазовой
установки // Научные труды SWorld. 2014. Т. 2. № 1. С. 62-69.
6. Viessmann, Официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: http://www.viessmann.ru/ (accessed 24 February 2016).
References
1. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set. Available at: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ (accessed 24 December 2016)
2. Yefimov N.N., Pope O.S, Papin V.V. Netraditsion-naya teploenergetika. Solnechnye energoustanovki [Alternative heat power engineering. Solar power plants]. Novocherkassk, Lic Publ., 2015, 148 p. (In Russian)
3. Malyavina E.G. Teplopoteri zdaniya [Heat losses of a building]. Moscow, AVOK-PRESS Publ., 2007, 144 p. (In Russian)
Критерии авторства
Овечкин А.Д., Курнакова Н.Ю., Волхонский А.А. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 02.12.2016 г.
4. Nauchno-prikladnoi spravochnik po klimatu SSSR [Scientific and applied reference book on the USSR climate]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1990, 725 p. (In Russian)
5. Polishchuk V.M., Dubrovin V.A., Polishchuk A.V. Energeticheskii balans metantenka biogazovoi ustanovki [Energy balance of a biogas installation digester]. Nauchnye Trudy SWorld [Scientific works of SWorld]. 2014, vol. 2, no. 1, pp. 62-69. (In Russian)
6. Viessmann, Official site. Available at: http://www.viessmann.ru/ (accessed 24 February 2016).
Authorship criteria
Ovechkin A.D., Kurnakova N.Y., Volkhonsky A.A. have equal authors rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 02 December 2016
