CC BY
60
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 621.311.24
СОПРЯЖЕНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ПЛЕНОЧНЫМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕМ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ
И.М. Кирпичникова*, Е.В Соломин*, И.Н. Панасюк**
г. Челябинск, *ЮУрГУ, ** ООО Завод «Рациональные отопительные системы»
CENOSES MODELING IN ELECTRICAL POWER CONSUMPTION OF AGRICULTURAL AND INDUSTRIAL COMPANIES
I.M. Kirpichnikova*, E.V.Solomin*, I.N. Panasyuk** Chelyabinsk, *SUSU, **LLC Plant «Rational Heating Systems»
Дается описание энергосберегающей системы обогрева помещений за счет соединения инфракрасного пленочного электронагревателя непосредственно с обмотками генератора питающей ветроэнергетической установки.
Ключевые слова: энергосбережение, вертикально-осевая ветроэнергетическая установка, пленочный электронагреватель, обогрев помещений, энергопотребление.
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.
Keywords: energy saving, vertical axis wind turbine, tape electric heater, heating oj quarters, power consumption.
Проблемы энергосбережения становятся все более насущными, тем более, что запасы традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь и др.) не безграничны и рано или поздно будут исчерпаны. Это относится как к районам с развитой инфраструктурой, так и к удаленным, малонаселенным районам. Там, где присутствуют энергетические компании, с развитием науки и техники энергопотребление растет за счет внедрения новых электроприборов, непрерывно предлагаемых промышленностью. Для удаленных неэлектрифицирован-ных районов проблемы энергоснабжения и энергосбережения стоят достаточно остро.
Особенно энергодефицит ощущается в странах с холодным или сезонно меняющимся климатом в связи с необходимостью обогрева жилых, офисных и производственных зданий. На территории России холодный период года длится в среднем 7-9 месяцев. При этом затраты на отопление могут составлять до 80 % от общих энергозатрат. Поэтому решение вопросов энергосбережения в системах отопления также является первоочередным.
Существенный эффект при решении данной проблемы может дать локальное сопряжение малых альтернативных возобновляемых источников энергии с энергосберегающими системами.
Одним из таких решений, приемлемых на территории Российской Федерации, может являться сопряжение ветроэнергетической 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].
Ранее 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. 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 преобразования электроэнергии (рис. 1).
ПЛЭН подключается к клеммам трехфазного генератора ВЭУ через простейший регулятор (рис. 2), 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 О до 300 В, а на выходе регулятора поддерживается постоянное напряжение 48 В.
Площадь помещения, обогреваемого ПЛЭНом при исследованиях, составляла 50 м2 при высоте потолков не более 3 м.
Данная схема позволила обеспечить непрерывный обогрев помещений и спрогнозировать эффективность использования такой системы для широкого использования. При этом важно правильно подобрать параметры ВЭУ и ПЛЭН по их характеристикам.
Мощность ВЭУ должна выбираться из следующих соображений [1]: энергопотребление российской семьи из 3—4 человек составляет в среднем по России 2000 кВт ч в месяц. При электрическом отоплении затраты на обогрев помещения составляют около 50 %. Следовательно, при по-
стоянном обогреве среднему потребителю требуется источник энергии, имеющий мгновенную мощность 1,4 кВт. Такая мощность генерируется ветроэнергетической установкой ВЭУ-3 (номинал 3 кВт) на скорости ветра 8 м/с. Необходимо также учесть, что в теплое время потребителю отопление не требуется, в то время как в холодное время обогрев должен работать на максимальной мощности.
Данные о скорости ветра, представляемые метеостанциями России соответствуют высоте 10 м, на которой эти скорости в среднем составляют 4-5 м/с, Однако известно что с увеличением высоты на каждые 10 м, скорость ветра возрастает на 10 %, т.е. на высоте 20 м она уже будет равна в среднем 5,5 м/с. С учетом оптимального выбора места размещения ВЭУ (горы, прибрежные области морей и озер, тундра и т.д.), скорость может увеличиться до 6-6,5 м/с и больше.
На скорости 6,5 м/с ВЭУ-3 выдает 1 кВт мгновенной мощности [1]. Эта цифра и была взята для расчетов работы системы «ВЭУ-ПЛЭН».
ПЛЭН (пленочный электронагреватель) представляет собой многослойное полимерное полотно, внутрь которого интегрирован резистивный нагревательный элемент и алюминиевый экран, выполняющий две основные функции - радиатора для
энергопитание
Рис. 1. Питание инфракрасного пленочного нагревателя «РОСт» от ветроэнергетической установки ВЭУ-3
Рис. 2. Схема подключения ПЛЭН к ВЭУ-3 через регулятор Серия «Энергетика», выпуск 12
Альтернативные источники энергии
выравнивания температуры на всех поверхности нагревателя и излучающего элемента [2]. ПЛЭН является лишь составной частью инфракрасной системы отопления, и применение его отдельно от других элементов (терморегуляторов и теплоотражающего теплоизолятора) нецелесообразно.
Работа системы состоит в следующем. При подаче электропитания на резистивный элемент, последний нагревается до температуры 40-50 °С. Алюминиевый экран позволяет распределить тепло равномерно по всей поверхности ПЛЭН. Потолочная поверхность помещения при этом должна быть закрыта элементами ПЛЭН на 65 %. Далее распределение тепла идет за счет лучистого теплообмена.
ПЛЭН рассчитывается исходя из параметров, приведенных в табл. 1.
Расчетные габаритные размеры ПЛЭН
0,35x0,5 (м2). Мощность потребления 24 Вт. Потребляемая мощность 42-х таких изделий будет не более 1 кВт. Площадь изделий 7,9 м2 позволяет отапливать 11 м2 при покрытии 65% потолочной поверхности, что достаточно для зданий и помещений, соответствующих требованиям СНиП 23-02-2003. При применении контроллера, позволяющего производить последовательный нагрев помещений за счет поочередного прогрева, можно отапливать одновременно до четырех помещений площадью, не превышающей 11 м2. Однако это верно только тогда, когда общая мощность, выдаваемая ВЭУ-3, и соответственно, мощность, потребляемая ПЛЭНом, составляет 1 кВт. В данном случае не учитываются электрические и тепловые потери, т.к. они были учтены на этапе вычисления мощности ВЭУ и мощности ПЛЭН.
Данные расчеты приведены при так назьюаемом среднесезонном энергопотреблении, максимальное значение которого составляет 20 Втч на квадратный метр отапливаемой площади. В наиболее холодное время года пиковое энергопотребление может достигать 40 Вт/м2, т.е. при площади помещения в 50 м2 пиковая нагрузка составит до 2 кВт. Таким образом, в такие периоды 1 кВт не достаточно.
Вместе с тем проведенные расчеты показывают, что данная система является работоспособной для отопления временных вагончиков вахтовых бригад, геологоразведочных партий, пограничных постов и других аналогичных объектов, отапливаемая площадь которых не превышает 2x11 м2, при наличии отсекающей стены с дверью между этими помещениями.
Рассмотрим вариант улучшения системы в плане привязки к обычным жилым помещениям.
Практика показывает, что средний метраж комнат не превышает 20 м2. Учитывая линейную зависимость эффективности отопления от потребляемой мощности, нетрудно вычислить, что при условии подачи 2 кВт в постоянном режиме можно обеспечить нормальную средне-сезонную работу системы «ВЭУ-ПЛЭН» для отопления двух помещений площадью 22 м2 каждое. Принимая во внимание, что пиковое потребление в холодное время года требует увеличения мощности почти вдвое, можно сформулировать следующие альтернативы:
- увеличение блока аккумуляторных батарей с целью покрытия пика мощности. Данное потребление может покрыть, например, батарея из 2 блоков аккумуляторов, подключенных параллельно и имеющих по 4 последовательно соединенных аккумулятора (в общей сложности 8 АКБ), емкостью не менее 90 А*ч. Это возможно при условии, что ветровая обстановка достаточна для своевременной зарядки установленных аккумуляторных батарей;
- увеличение количества установленных ветроэнергетических установок или иных возобновляемых источников энергии до мощности, требуемой для покрытия пиков потребления. Однако такое решение, во-первых, является чрезвычайно дорогостоящим, так как фактически половина мощности источников будет использоваться только несколько дней в году, а во-вторых, не решает проблему энергоснабжения при отсутствии ветра в течение хотя бы нескольких дней, что вполне вероятно и даже прогнозируемо;
- применение бензо- или дизель-генератора в автоматическом или ручном режиме. Данное решение является наиболее оптимальным, т.к. стоимость данного агрегата мала в сравнении со стоимостью системы «ВЭУ-ПЛЭН». Такой подход достаточно прост и может, кроме того, использоваться для целей резервирования при внезапном увеличении потребляемой мощности во время праздников, проведении сварочных работ, и т.п. Недостатком такого решения является периодическая доставка топлива.
В табл. 2 показано среднее энергопотребление на одного потребителя. Из таблицы видно, что максимальная пиковая нагрузка требуется лишь 31 день в году.
Согласно табл. 2, суммарное энергопотребление на отопление одного квадратного метра площади составляет 106 200 Вт ч (106,2 кВт ч). Среднесезонное потребление за 218 дней составит 106,2/218=0,0203 кВт ч.
Таблица 1
Техническая характеристика ПЛЭН
Ширина ПЛЭН 0,35 м
Длина ПЛЭН 0,5 м
Площадь ПЛЭН 0,175 м2
Мощность одного полотна 0,024 Вт
Количество ПЛЭН на один кВт 42,0 шт.
Площадь группы ПЛЭН мощностью 1 кВт 7,3 м2
Площадь, которую может отопить указанная группа ПЛЭН (65 %) 11,2 м2
Таблица 2
Среднее энергопотребление на одного потребителя за отопительный период
Начало периода Конец периода Кол-во дней в периоде Энерго-потребление на 1 м2 в час, Втч Суммарное энергопотребление за период на 1 м2, Вт ч
25.09.2008 01.10.2008 6,00 5 720,00
01.10.2008 15.10.2008 14,00 5 1 680,00
15.10.2008 31.10.2008 16,00 10 3 840,00
31.10.2008 15.11.2008 15,00 15 5 400,00
15.11.2008 30.11.2008 15,00 20 7 200,00
30.11.2008 15.12.2008 15,00 25 9 000,00
15.12.2008 31.12.2008 16,00 30 11 520,00
31.12.2008 15.01.2009 15,00 40 14 400,00
15.01.2009 31.01.2009 16,00 40 15 360,00
31.01.2009 15.02.2009 15,00 30 10 800,00
15.02.2009 28.02.2009 13,00 25 7 800,00
28.02.2009 15.03.2009 15,00 20 7 200,00
15.03.2009 31.03.2009 16,00 15 5 760,00
31.03.2009 15.04.2009 15,00 10 3 600,00
15.04.2009 01.05.2009 16,00 5 1 920,00
Итого: 218,00 106 200,00
Следовательно суммарное энергопотребление здания площадью 50 м2 составит 50x106,2 = =5310 кВт ч. При тарифе 1,2 руб. за кВт ч затраты составят 6372 руб. за отопительный сезон.
Таким образом, применение ВЭУ и ГШЭН с оптимизированными параметрами позволит реализовать следующие достижения в области энергосбережения:
- снижение энергопотребления средней семьи на отопление на 30 % (с 1,4 кВт до 1,0 кВт средней потребляемой мощности или с учетом оптимизации и применения распределительного контроллера ПЛЭН с 10 000 кВт ч до 5310 кВт ч за отопительный сезон продолжительностью 5 месяцев);
- снижение загрязнения окружающей среды за счет использования ВЭУ и ПЛЭН;
- снижение тепловых потерь за счет использования ПЛЭН на 30-40 % по сравнению с традиционным (конвективным) электроотоплением;
- стоимость обслуживания ВЭУ минимальна, а система отопления ПЛЭН не требует дальнейшего обслуживания на протяжении всего срока эксплуа-
тации (50 лет), что позволяет существенно сэкономить на эксплуатационных затратах.
Тем не менее, при использовании системы «ВЭУ-ПЛЭН» необходимо принимать во внимание, что стабильная совместная работа ВЭУ и ПЛЭН возможна при следующих условиях:
а) наличие в данном районе устойчивых ветров со скоростью более 6 м/с, что обеспечит стабильный дебет электроэнергии более 1 кВт в час;
б) наличие запасного источника электроэнергии в виде бензо- или дизель-генератора или центральной электрической сети, позволяющего компенсировать дефицит энергоснабжения.
Литература
1. Соломин, Е.В. Продукция / Е.В. Соломин //
Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль». - www.src-
vertical.com. - Челябинск, 2007. -1 с.
2. Панасюк, И.Н. Продукция / И.Н. Панасюк // Сайт ООО Завод «Рациональные отопительные системы». -www.zavod-rost.ru. - Челябинск, 2008. -1с.
Поступила в редакцию 29.05.2009 г.
Кирпичникова Ирина Михайловна. Доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Электротехника» Южно-Уральского государственного университета. Научные интересы - электронноионная технология, возобновляемые источники энергии. Контактный телефон: 8 (351) 267-98-94.
Kirpichnikova Irina Mikhajlovna. Doctor of technical science, Professor, Head of the Electrotechnics department of South Urals State University. Professional interests - electronic-ion technology, renewable energy sources. Contact telephone: 007 (351)267-98-94.
Соломин Евгений Викторович. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника», генеральный директор ООО «ГРЦ-Вертикаль», в 1990 году окончил Будапештский технический университет, Венгрия, по специальности «Робототехника». Область научных интересов - ветроэнергетика. Контактный телефон: 8 (351) 264-76-94.
Soiomin Evgenie Viktorovich. Candidate of technical science, associate professor of the Electrotechnics department of South Urals State University, Director General of «SRC-Vertical», Ltd., graduated from Budapest Technical University, Hungary, “Robotics” specialty. Professional interests - wind energy. Contact telephone: 007 (351) 264-76-94.
Панасюк Игорь Николаевич. Директор ООО Завод «Рациональные отопительные системы», в 1993 году окончил Челябинский государственный агроинженерный университет. Область научных интересов - пленочные инфракрасные потолочные системы отопления. Контактный телефон: 8 (351) 239-91-79.
Panasyuk Igor Nikolaevich. Director of LLC Plant «ROST» (Rational Heating Systems), graduated from Chelyabinsk State Agriculture Engineering University. Professional interests - tape infra-red on-ceiling heating systems. Contact telephone: 007 (351) 239-91-79.
Серия «Энергетика», выпуск 12
81
ТРЕБОВАНИЯ К ПУБЛИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ
1. В редакцию предоставляется печатный вариант статьи и ее электронная версия (документ Microsoft Word), экспертное заключение о возможности опубликования работы в открытой печати, сведения об авторах (Ф.И.О., место работы, звание и должность, контактная информация (адрес, телефон, e-mail)).
2. Один автор может опубликовать в одном сборнике не более двух статей.
3. Структура статьи: УДК, название, список авторов, аннотация (не более 500 знаков), список ключевых слов, текст работы, литература (ГОСТ 7.1-2003). На отдельной странице приводятся название, аннотация, список ключевых слов и сведения об авторах на английском языке.
4. Параметры набора. Поля: зеркальные, верхнее - 23, нижнее - 23, левое - 22, правое - 25 мм. Шрифт - Times New Roman, кегль - 14. Отступ красной строки 0,7 см, интервал между абзацами 0 пт, межстрочный интервал - полуторный. Рисунки и схемы должны быть сгруппированы и иметь названия.
5. Адрес редакции научного журнала «Вестник ЮУрГУ» серии «Энергетика»: Россия, 454080, г. Челябинск, пр. им. Ленина, 76, Южно-Уральский государственный университет, ауд. 256, Энергетический факультет. Ответственный редактор Хохлов Ю.И., тел. (351) 267-90-83, e-mail: [email protected], зам. отв. редактора Булатов Б.Г., (351) 267-92-41, e-mail; [email protected].
6. Полную версию правил подготовки рукописей и пример оформления можно загрузить с сайта ЮУрГУ (http://www.susu.ac.ru) следуя ссылкам: «Научные исследования», «Издательская деятельность», «Вестник ЮУрГУ», «Серии».
7. Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.
ВЕСТНИК ЮЖНО-УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№ 34(167) 2009
Серия
«ЭНЕРГЕТИКА»
Выпуск 12
Редактор Л.М. Соколова Компьютерная верстка В.Г. Харитоновой
Издательский центр Южно-Уральского государственного университета
Подписано в печать 16.10.09. Формат 60x84 1/8. Печать цифровая.
Уел. печ. л. 9,76. Уч.-изд. л. 10,13. Тираж 500 экз. Заказ 435/473.
Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
