CC BY
15СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
УДК 662.997: 662. 93(44)
ВОЗМОЖНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЧАСТНЫХ ДОМОВ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ И ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ
О.М.Саламов, А.М.Гашимов, Ф.Ф.Алиев*
Институт Радиационных Проблем НАН Азербайджана ул. Б.Вахабзаде, 9, г. Баку, AZ 1143, Азербайджан Тел: (99412) 539 32 24, доп. 125; факс: (99412) 539 83 19; oktay dae@mail.ru
*Международная Экоэнергетическая Академия ул. М.Арифа, 5, г. Баку , AZ 1073, Азербайджан
В работе рассматриваются возможности теплоснабжения (ТС) и горячего водоснабжения (ГВС) частного дома с количеством жителей 5 человек, в условиях г. Баку, с одновременным использованием солнечной и ветровой энергии. Приводятся месячные и годовые значения тепловой нагрузки, необходимые для обеспечения потребности в ТС и ГВС экспериментального дома. Приводятся коэффициенты замещения солнечной и ветровой источников энергии, а также количества экономии условного топлива, определяемые расчетным путем.
Ключевые слова: горячее водоснабжение, теплоснабжение, тепловая нагрузка, плоские солнечные коллекторы, ветроэлектрический агрегат, скорость ветра, интенсивность солнечной радиации, коэффициент полезного действия, экономия условного топлива.
POSSIBILITIES OF HEAT AND HOT WATER SUPPLY OF PRIVATE HOUSES WITH SIMULTANEOUS USE OF SOLAR AND WIND ENERGY
O.M.Salamov, A.M.Hashimov, F.F.Aliyev*
Institute of Radiation Problems of ANAS B.Vahabzadeh, 9, Baku, AZ 1143, Azerbaijan Tel: (99412) 539 32 24 (125); fax: (99412) 539 83 19; oktay dae@mail.ru
international Ecoenergy Academy M.Arif, 5, Baku, AZ 1073, Azerbaijan
In the work it is considered the possibilities of heat supply (HS) and hot water supply (HWS) of private houses with a population of 5 people under conditions of Baku with simultaneous use of solar and wind energy. Monthly and annual values of heat load are provided, which are necessary for meeting needs to HS and HWS of model houses. Substitution coefficients of solar and wind energy sources, as well as quantity of fuel-saving, defined by calculating, are given.
Keywords: hot water supply, heat supply, heat load, flat solar collectors, wind-electric unit, wind velocity, intensity of solar radiation, efficiency, fuel saving.
Ранее нами были исследованы возможности обеспечения сельской семьи горячей водой с использованием солнечной энергии, в частности плоских солнечных коллекторов (ПСК). При этом были рассмотрены два режима водопотребления: экономичный «жесткий» и относительно менее экономичный «нормальный» режимы, с суточными нормами на каждого человека 50 л/сут и 80 л/сут, соответственно [1].
Целью данной работы является выявление возможности комбинированного использования солнечной и ветровой энергии для теплоснабжения (ТС) и горячего водоснабжения (ГВС) односемейного частного дома расположенного на Апшеронском полуострове. Для достижения этой цели, были определены ходы изменения энергетических характеристик обоих источников энергии, в частности ветроэлектрического агрегата (ВЭА) и ПСК при различных климатических условиях, а также суточные, месячные и годовые значения суммарных тепловых нагрузок (ТН) на ТС и ГВС.
Экспериментальный дом, расположен в Яса-мальском районе г. Баку. Число постоянных жителей дома составляет 5 человек. Дом состоит из 4-х комнат общей площадью 56 м2. Для нагревания трех комнат, общей площадью 44 м2 используется газовой нагреватель типа «Атеш», производства Иранской Исламской Республики, а для одной комнаты, площадью 12 м2 отдельный газовый нагреватель типа «Джейран» местного производства.
В бане используется котел типа самовар, который одновременно служит для снабжения кухни горячей водой (мытья посуды, стирки, умывания и т.д.). Температура воздуха во время проведения экспериментов менялась в широком диапазоне, а температура в комнатах поддерживалась на уровне ~220С.
Для уточнения общей ТН на ТС и ГВС, в течение трех лет (с 01.01.2010 г. по 01.01.2013 г.) были зарегистрированы показания газового счетчика. Одновременно была проведена также регистрация ежемесячных значений электрической нагрузки (ЭН).
В табл.1 приведены показания газового и электрического счетчиков за 2010-2012 г.г.
Ежемесячные значения ТН были определены расчетным путем, с учетом теплоты сгорания 1 м3 метана, для чего была использована следующая формула [3]:
= кС(29,53п +10,25)=39,781Спаа,, (1)
где: С - количество расходуемого метана за месяц, м3; п - углеродное число (в данном случае для метана п = 1); Ъ - коэффициент пересчета от МДж на кВт-ч,
который равен Ъ = 0,278; пгаз - КПД газовых нагревательных приборов, среднее значение которого меняется в пределах 0,5^0,6 (для газового котла нами
принят цгаз = 0,55).
Таблица 1
Ежемесячные значения расхода газа и электроэнергии за периоды 2010-2012 г.г.
Table 1
Monthly values of gas and energy consumption for periods 2010-2012 years
Месяцы Показания газового счетчика, м3 Показания электр. счетчика, кВт/ч
2010 г. 2011 г. 2012 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г.
Январь 534 593 600 250 300 300
Февраль 600 530 560 250 333 317
Март 634 466 550 250 250 285
Апрель 450 432 420 256 323 317
Май 376 257 150 250 358 340
Июнь 127 1 20 100 270 353 317
Июль 106 100 90 270 311 273
Август 106 90 90 290 341 276
Сентябрь 106 100 100 300 317 354
Октябрь 106 130 120 250 317 350
Ноябрь 318 270 300 350 300 300
Декабрь 360 400 450 400 300 367
Годовые 3823 3488 3450 3386 3803 3796
Из уравнения (1) были определены суммарные значения ТН на ТС и ГВС с учетом КПД газовых нагревательных приборов. Результаты расчета приведены в табл.2.
Таблица 2
Месячные и суточные значения общих тепловых нагрузок с учетом КПД используемых газовых приборов Table 2
Monthly and daily values of total heat load based on efficiency of used gas devices
Месяцы Реальные месячные тепловые нагрузки, кВт-ч Реальные суточные тепловые нагрузки, кВт-ч Потребляемая мощность от источников энергии, кВт
2010 г. 2011 г. 2012 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г.
Январь 3248 3913 3650 104,774 126,226 117,742 4,366 5,259 4,906
Февраль 3650 3223 3407 130,357 115,107 117,482 5,432 4,796 4,895
Март 3856 2835 3345 124,387 91,452 107,9 5,183 3,811 4,496
Апрель 2737 2627 2555 91,2 87,567 81,167 3,8 3,649 3,382
Май 2287 1563 913 73,774 50,419 29,452 3,074 2,1 1,227
Июнь 772 729 608 25,773 24,3 20,267 1,072 1,013 0,844
Июль 645 609 547 20,806 19,645 17,645 0,867 0,819 0,735
Август 645 547 547 20,806 17,645 17,645 0,867 0,735 0,735
Сентябрь 645 609 608 21,5 20,3 20,267 0,896 0,846 0,844
Октябрь 645 791 729 20,806 25,516 23,516 0,867 1,063 0,98
Ноябрь 1934 1642 1824 64,467 54,733 60,8 2,686 2,281 2,533
Декабрь 2190 2433 2737 70,645 78,484 88,29 2,654 2,42 2,45
Ср.годовые 1937,9 1767,9 1789,2 63,7 58,1 58,8 2,647 2,399 2,336
Годовые 23 255 21 215 21 470 - - - - - -
Из табл.2 видно, что в экспериментальном доме фактические расходы тепловой энергии на ТС в -6,0^6,5 раза превышает тепловому расходу на ГВС, то достаточно хорошо согласуется с литературными данными [4-7].
А теперь, используя данные, приведенные в табл.2, можно выбирать энергетические параметры ПСК и ВЭА. Для повышения общей эффективности работы системы, в данном случае, в качестве основного источника энергии выбран ВЭА. Для возможности точного определения годичного хода изменения вырабатываемой мощности ВЭА необходимо знать ветровые ресурсы, наблюдаемые на месте его установления. Как было указано в работе [2], по частотному распределению скорости ветра г. Баку расположен в зоне А. Среднегодовая скорость ветра в г. Баку меняется в пределах 5,4 ^ 7,3 м/с.
Что касается месячных значений суточного колебания скорости ветра, то для г. Баку они всегда имеют положительный знак и меняются в небольших пределах. Это означает, что в г. Баку энергия ветрового потока носит стабильный характер, и использование этой энергии вполне целесообразно.
Для обеспечения потребности экспериментального дома в ТС и ГВС, нами в Институте Радиационных Проблем НАН Азербайджана разработана комбинированная солнечно-ветровая энергетическая система (КСВЭС), в которой в качестве ВЭА используется унифицированный, модернизованный ВЭА типа АВЭУ-6-4М, с диаметром ветро-колеса (ВК) 6,6 м и мощностью 4,0 кВт. Поскольку на эту систему получен патент Азербайджана [8], то в данной работе приводятся только ограниченная информация о ней, а принципиальная схема КСВЭС не приводится.
На рис.1 и рис.2 представлены зависимости вырабатываемой мощности ВЭА и частоты генерируемого тока от скорости ветра. Оба графики построены на основе данных, полученных при испытании ВЭА в различных климатических условиях. На указанных рисунках показаны только те участки характеристик, которые сняты в моменты разгона скорости вращения ВК.
При снятии указанных характеристик ВЭА, ЭН были выбраны с условием обеспечения безопасности электрогенератора (ЭГ).
Как видно из рис.1, при скоростях ветра ниже расчетной (9 м/с), мощность ВЭА резко падает,
и максимальная мощность ВЭА под нагрузкой достигается лишь при скоростях ветра выше 10 м/с. Далее путем автоматического изменения тока возбуждения генератора мощность ВЭА придерживается постоянно и на неё не влияет дальнейшее повышение скорости ветра, вплоть до предельно-допустимого значения для данного ВЭА. Как только скорость ветра достигает предельного значения, генератор автоматически развозбуждается и отключается от внешней нагрузки. Частоты возбуждения и развозбуждения генератора составляют, 35...45 Гц и 16.24 Гц, соответственно.
Для определения удельной мощности, развиваемой с единицы ометаемой площади ВК (РВк ), и общей развиваемой мощности ВЭА (РВЭА ) использованы уравнения:
РВК = 0,615 -10 -3V ЧпгенПМуЛт:
РВЭА =РП- V 3 ЕПген П
8
ген I мулт
(2)
(3)
= 4,828-10"4 V3Ю Еп п
' ~ I ген I мулт
где: р - плотность воздуха, кг/м3 (для нормальных условий р = 1,23); Ю - диаметр ВК, м (в данном случае Ю = 6,6 м); V - скорость ветра, м/с; Е - коэффициент использования энергии ветра, максимального значения которого для тихоходных ВД
составляет Емакс = 0,35 - 0,38, а для быстроходных ВД - Емакс = 0,45 - 0,48 (в нашем случае Е = 0,41);
Пген - КПД ЭГ, доля единицы (в нашем случае Пген = 0,88); Пмулт - КПД мультипликатора, доля единицы (в данном случае Пмулт = 0,9).
Для определения месячных значений развиваемой энергии с единицы ометаемой площади ВК
(Ж у",) а также всего ВЭА, в целом (ЖВЭА), с учетом повторяемости различных градаций мгновенных скоростей ветра, использовались следующие расчетные уравнения:
Жумд = РВК N • 24 • £ V, • к^ =
¿=4,5
3,6•24•2•104N
5 +^,5*6,5 +^8?5К8,5 +^1(!5К1о5 255
(4)
(5)
где: N - количества дней в месяце, день; V, - скорость ветра в соответствующей градации ¿, м/с;
КV - коэффициент повторяемости скорости
ветра в соответствующей градации ¿ (например, если в уравнении вместо ¿ поставлен 4,5, то это означает, что в данном случае учитываются данные, касающиеся повторяемости мгновенных скоростей ветра 4 и 5 м/с, с исключением, что в последнем случае, когда ¿ = 14,5 данные относятся к трем значениям скорости ветра 14, 15 и 16 м/с), отн. един.; число 24 - количества часов в сутки; - площадь,
ометаемая ВК, м2 (5 = пЮ2 ¡4 ).
w м = w м . S
''ВЭА ''уд ° '
РВЭА , KVt
Г
я
Г
1 J
/ 2
8
12
16 20 V, м/с
Рис.1. Зависимость развиваемой мощности ветроагрегата АВЭУ-6-4М от скорости ветра: 1 - расчетная; 2 - экспериментальная Fig. 1. Dependence of developed power of wind unit АВЭУ-6-4М from wind speed: 1 - calculated; 2 - experimental
f Гц 60
50
40
30
20
Рис.2. Графическая зависимость частоты тока от скорости ветра
Fig.2. Graphic dependence of current frequency on wind speed
3
r,
0
4
8
Таблица 3
Повторяемости мгновенных скоростей ветра для разных месяцев года с учетом
среднемесячных значений скорости ветра наблюдаемых в условиях г. Баку Table 3
Frequency of instantaneous wind velocity for different months of the year considering average monthly values of wind velocity observed in Baku conditions
É й Месяцы
S *« В I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
S § S , Среднемесячные значения скорости ветра, м/с
дна Л о 6,7 6,5 7,3 6,5 6,4 6,7 6,6 6,8 6,4 6,3 5,9 5,4
Л ® -I а Повторяемости скорости ветра, доля единицы
0,5-4 0,287 0,298 0,261 0,298 0,302 0,287 0,292 0,282 0,302 0,306 0,334 0,366
4 -5 0,188 0,190 0,174 0,190 0,192 0,188 0,188 0,184 0,192 0.195 0.202 0,213
6 -7 0,158 0,159 0,152 0,159 0,161 0,158 0,159 0,158 0,161 0,161 0,164 0,163
8 -9 0,124 0,123 0,125 0,123 0,122 0,124 0,123 0,124 0,122 0,121 0,118 0,112
10-11 0,091 0,089 0,096 0,089 0,087 0,091 0,090 0,092 0,087 0,086 0,079 0,069
12-13 0,062 0,059 0,070 0,059 0,058 0,062 0,060 0,064 0,058 0,056 0,063 0,040
14-16 0,052 0,050 0,061 0,050 0,052 0,052 0,051 0,053 0,052 0,047 0,040 0,037
В табл.3 приведены ежемесячные значения повторяемости мгновенных скоростей ветра для установленных градаций, которые были определены с учетом среднемесячных значений скорости ветра, наблюдаемых в условиях г. Баку.
Далее были определены суточные выработки ВЭА, а также среднесуточные и удельные мощности ЭГ ВЭА, для чего были использованы следующие эмпирические уравнения:
W сут = W м / N
'г ВЭА 'г ВЭА ' JV'
Р =Wсут / 24
1 ВЭА '' ВЭА ' ^
(6)
(7)
(8)
В табл.4 приведены численные значения WМ,
Р уд =1274 Р / D
1 ген ВЭА ' ^
W м Wсут
'' ВЭА > '' ВЭА
РВЭА и Pirn, которые были определе-
ны с использованием формулы (4), (5), (6), (7) и (8). Расчеты проведены с учетом соответствующих значений коэффициента повторяемости скорости ветра.
Для проверки достоверности полученных результатов, аналогичные расчеты проведены также с учетом времени работы ВЭА при различных градациях мгновенной скорости ветра.
Для этой цели в первую очередь была определена развиваемая мощность ВЭА с использованием формулы:
РВЭА = 0,2-10-
nD¿
- К3
(9)
3
4
Таблица 4
Энергетические параметры ВЕА определяемые расчетным путем с учетом повторяемости мгновенных скоростей ветра Table 4
Energy parameters of WEU defined by considering frequency of instantaneous wind velocity
Параметры Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
WyM, кВт-ч/м2 77,6 68,1 84,5 73,0 75,8 75,1 76,5 79,0 73,4 72,8 68,1 60,0
W'£Э., кВт-ч 2652 2329 2890 2500 2595 2566 2614 2700 2510 2490 2329 2053
W^ , кВт-ч 85,5 83,2 93,2 83,3 83,7 85,5 84,3 87,1 83,7 80,3 77,6 66,2
РВЭА , кВт 3,563 3,467 3,883 3,470 3,488 3,563 3,513 3,629 3,486 3,346 3,233 2,758
Рген , кВт'ч/м2 0,104 0,101 0,114 0,102 0,102 0,104 0,103 0,106 0,102 0,98 0,95 0,81
Солнечная энергетика
Далее были найдены времена работы ВЭА при различных градациях скорости ветра для чего использована следующая эмпирическая формула: Т = 24 N • Ку , (10)
I V,
В табл.5 и в табл.6 соответственно приведены времена рабочих часов и расчетные значения развиваемой мощности ВЭА для разных градаций мгновенной скорости и разных значений среднемесячной скорости ветра.
Таблица 5
Времена рабочих часов ВЭА типа АВЭУ-6-4М для различных градаций скорости ветра с учетом среднемесячных значений скорости ветра наблюдаемых в условиях г. Баку
Table 5
Times of service hours of WEU of АВЭУ-6-4М type for different gradations of wind velocity considering average monthly values of wind velocity observed in Baku conditions
Градации скорости ветра, м/с Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Среднемесячные значения скорости ветра, м/с
6,' 6,5 7,3 6,5 6,4 6,7 6,6 6,8 6,4 6,3 5,9 5,4
Время работы ВЭА при различных градациях скорости ветра, ч
1-4 213 200,26 194,18 214,56 224,69 206,60 217,25 209,80 217,44 227,66 240,48 272,30
4 -5 139 127,68 129,46 136,80 142,85 135,36 139,87 136,9 138,24 145,08 145,44 158,47
6 -7 117 106,85 113,09 114,48 119,78 113,76 118,3 117,55 115,92 119,78 118,08 121,27
8 -9 92 82,66 93,0 88,56 90,77 89,28 91,51 92,26 87,84 90,02 84,96 83,33
10-11 67 59,81 71,42 64,08 64,73 65,52 66,96 68,45 62,64 63,98 56,88 51,34
12-13 46 39,65 52,08 42,48 43,15 44,64 44,64 47,62 41,76 41,66 45,36 29,76
14-16 38 33,60 45,38 36,0 38,69 37,44 37,94 39,43 37,44 34,97 28,8 27,53
Таблица 6
Мощности ВЭА для разных градаций мгновенной скорости ветра Table 6
WEU power for different gradations of instantaneous wind velocity
Vl, м/с 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5
РВЭА , кВт 0,623 1,878 4,2 7,917 13,357 20,85
Месячные значения выработки энергии ВЭА, были определены из уравнения:
14,5
w м =y рг . t (ii)
'' ВЭА ВЭА г ' ^^
г=4,5
Далее, последовательно применяя уравнения (6), (7) и (8), определены численные значения
ЖВСЭт , РВЭА и РУН . Результаты расчета приведены в табл.7.
Из сопоставления данных, приведенных в табл.4 и табл.7 видно, что эти данные друг от друга отличаются не более чем на 1,0 %.
Таблица 7
Энергетические параметры ВЕА определяемые с учетом времена работы его при различных градациях мгновенной скорости ветра Table 7
Energy parameters of WEU defined taking into account its running time at different gradations of instantaneous wind velocity
Параметры Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Wvud, кВт-ч /м2 77,6 68,2 84,5 73,1 75,8 75,1 76,5 78,8 73,3 72,7 68,0 60,1
W;3A, кВт-ч 2654 2331 2891 2498 2591 2569 2611 2694 2507 2486 2326 2054
WZmA , кВт-ч 85,6 83,3 93,3 83,3 83,6 85,6 84,2 86,9 83,6 80,2 77,5 66,3
РВЭА , кВт 3,567 3,471 3,888 3,469 3,483 3,567 3,510 3,620 3,483 3,342 3,231 2,761
P1, кВт-ч/м2 104 102 113 101 102 104 103 106 102 98 94 81
пПСК = 0,8-\в-
8U [0,5(i.
+1 ы) _ t
ТН ТН ' 1 в
где: д- приведенная оптическая характеристика ПСК, (для двухстекольного коллектора с селективным покрытием можно принимать д = 0,75);
*вх J вых ТН и ТН -
соответственно температуры теплоно-
В экспериментальной КСВЭС использованы двух-стекольные ПСК типа SPL, с полным коэффициентом тепловых потерь UTn = 6 Вт/(м2-0С), выпускаемые в Сумгаитском Технопарке.
Общее количество коллекторов в системе составляет 8 шт., а общая площадь их - 20 м2. Для определения параметров ПСК были использованы данные по солнечной радиации, имеющие место в работе [1]. В табл.8 приведены основные данные, необходимые для определения энергетических параметров ПСК.
С учетом указанного и данных, приведенных в табл.8, были определены среднемесячные значения КПД ПСК, а также полезно используемой части энергии солнечного излучения общей поверхностью ПСК. Для определения среднемесячные значения КПД ПСК использовано следующее уравнение [1]:
Таблица 8
Исходные данные для определения энергетических параметров ПСК площадью 20 м2
Table 8 2
Initial data for determination of energy parameters of FSC of 20 м2 area
(12)
сителя на входе и на выходе ПСК, С; tв - температура воздуха, 0С (выбирается из рис.1, кривой
14 ТНП
1); I сут - среднемесячные значения дневного прихода суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность на широте 400241 (г. Баку), кВт-ч/м2
]
Параметры Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1НП ,кВт-ч/ м2 3,01 7 4,32 3 5,54 4 6,09 8 6,15 0 6,25 3 5,90 6 5,79 0 5,44 9 5,31 9 3,77 7 3,07 8
t вх 0с , С 16 16 17 19 21 23 23 23 21 19 17 16
t вых 0с 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55
tв , 0С 4,5 4,3 8,0 14,0 20,5 25,5 28,0 27,8 24,5 19,8 13,8 7,5
При определении КПД ПСК был учтены некоторые факторы, влияющие на параметры прозрачного покрытия, такие, как коэффициенты пропускания, отражения, запыления, затенения и т.д.[9]. В процессе расчета были определены сле-
дующие параметры: I^ - общее количество суточной энергии вырабатываемой всеми коллекторами с наклонной поверхностью, кВт-ч; QП¡СК -общее количество месячной выработки энергии
ПСК, кВт-ч; - суммарные месячные выра-
ботки энергии ПСК и ВЭА, кВт-ч; чОмбщ - разница между общей вырабатываемой энергией и месячной ТН, кВт-ч; (чмСК ^)пол - полезно использованная часть энергии ПСК, кВт-ч;
(ч 'пСК ^)пот -потерянная часть энергии ПСК, кВт-ч; (^ВзЭА )тн - часть энергии ВЭА расходуемая на
покрытие ТН, кВт-ч; (ммЭА )эл , часть энергии ВЭА
расходуемая на покрытие ЭН, кВт-ч.
Для определения вышеуказанных параметров были использованы следующие формулы:
= ПМпскА°пбсЩк IНП
пол сут
0 м = NI
iiПСК .
ПСК
Ообщ ОПСК + 0
' ВЭА ■
(13)
(14)
(15)
Сбщ = Оомбщ - 0м , (16)
(_.м \ лм /~\м ам
qПСК )пол = 0ПСК , при 0ПСК < 0ТН и
(q мпск L = 0 ТН , при 0ПСК > 0ТН , (17)
(q ПСК ) пот ПСК - 0Тмн , при 0 ПСК ТН
(qМПСК )пот = 0, при 0ПСК < 0ш (18)
(™вэа \н = ЖВмЭА , при 0мбщ < 0м ;
(<ЭА 1н = 0тмН - 0
м
общ м
IПСК, пРи
0мщ > 07Н > 0пск и
(<эа )тн = 0, при 0Пск > 0тмН , (19)
(^Вэа L = 0, при 0омбщ < 0тмН; (™вэа )эл = 0"бщ - 0м , при 0"бщ > 0ТН > 0ПсК
(кэа l = wbl , при 0Пск > 0тн
(20)
м
где: пСК - среднемесячные значение КПД ПСК, в отн. ед.; А^СК - общая площадь всех ПСК, м2 (в
данном случае АЩСК = 20 м2).
Результаты, полученные из энергетического расчета КСВЭС приведены в табл.9. Как видно из табл.9, за все три года только лишь в январе и феврале месяцах общая энергия ПСК и ВЭА недостаточны для покрытия общей ТН на ТС и ГВС
( чомбщ имеет отрицательный знак). Поэтому, в эти
месяцы приходится использовать в качестве дублера централизованную сеть электроснабжения. В летние месяцы ТН на ТС сводится нулю, а ТН на ГВС резко сокращается, поэтому в периоды май-октябрь месяцы, даже при использовании только лишь ПСК, все ровно значительная энергия остается неиспользованной. Исходя из этого, в данном случае не имеет смысла использовать ПСК с общей площадью более 20 м2, что и было учтено нами. Излишки энергии ПСК, в летнем сезоне фактически бесполезно теряются, а преобразования ее в другой, удобный вид энергии может иметь смысл только в том случае, когда речь идет о больших мощностях. Например, в случае, когда приходится использовать ПСК для ТС относительно крупных объектов, расположенных в труднодоступной местности, то, применяя тепловые насосы и паротурбинные генераторы, можно преобразовать излишки выработанной посредством ПСК тепловой энергии в электрическую, и в дальнейшем использовать её по назначению. В данном случае это не целесообразно и чем больше будет соотношения мощностей ВЭА и ПСК, тем лучше.
Что касается эффективности использования энергии ВЭА, то, как видно табл.9, во всех случаях имеется возможность использования ветровой энергии более эффективно, чем энергии ПСК. В данном случае максимальное значение ЭН зафиксировано в декабре 2010 г. (см. табл.1), и составляет 400 кВт-ч, а максимальное годовое значение ЭН (3803 кВт-ч/год) зафиксировано в 2011 г. Если из общей энергии ВЭА, вырабатываемой в течение года, отнимать её полезно используемую часть, для ТС и ГВС, а также численное значение ЭН, расходуемой в экспериментальном доме в течение года, то получим количество сэкономленной электроэнергии, месячные значения которой в табл. 9
обозначены через ()эл.
Что касается годовых значений излишков энергии ВЭА в виде электроэнергии, то из табл.9 для 2010, 2011 и 2012 г.г. получим:
^ = 12579 кВт-ч/год,
WT =£№эа )эл = 12579
W2011 = 16190
изл
кВт-ч/год и w2u012 = 15497
кВт-ч/год. В то время, годовые расходы электроэнергии семьи за 2010, 2011 и 2012 г.г. составляют 3386, 3803 и 3796 кВт-ч/год, соответственно. А это означает, что если продать излишки энергии обратно в сеть, то за этой энергией максимально могут быть обеспечены дополнительно четыре семьи с одинаковым количеством жителей.
Далее используя данные, приведенные в табл.9, были определены коэффициенты замещения каждого источника энергии (ПСК, ВЭА и сеть), в отдельности для чего были использованы следующие эмпирические формулы:
пол
м
fПСК QnCK
fм = WM /Q
J сеть сеть
м j гл м
/Q
ТН ■
fм =wм /Qм
j вэа '' вэа ' s¿:
м
ТН ■
ТН (21)
БмПСК = 0,123 • 10_
(ч ПСК ) п
где: - месячные количества сетевой энер-
гии, расходуемые для покрывания ТН в зимние месяцы, которые могут быть определены из выражения:
■п
Чдубл
(wм )
У' ВЭА /Т
тгаз Чдубл
Wм = Qм _ Q
сеть ТН
пРи Qm > Q
+ W м
ПСК '' ВЭА -
(Б^ЭА )ТН = 0,123 • 10_3
(ч ПСК \ол + (WВЭА )ТН
(б0мбщ )тн = 0,123 -10_
+W м
ПСК ВЭА
(22)
В конце расчета нами были определены месячные и годичные количества экономии топлива, за счет использования солнечной и ветровой энергии совместно и в отдельности. Для определения этого показателя были использованы следующие уравнения:
(Бобщ )гн = S (Б общ ) ТН
пдубл
(23)
(24)
где:
Пдубл - КПД дублирующего источника
энергии, в относительных единицах. В данном случае в экспериментальном доме для ТС и ГВС используются газовые нагреватели, КПД которых составляет не более 0,6. Выше, нами принято
ПдУббл = 0,55.
Таблица 9
Энергетические параметры комбинированной солнечно-ветроэлектрической системы для ТС и ГВС
Table 9
Energy parameters of combined solar-wind electric systems for HS and HWS
Параметры Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
м /ПСК , отн. един. 0,21 0,32 0,41 0,46 0,49 0,52 0,53 0,53 0,50 0,48 0,37 0,25
ТНП i , кВт-ч пол ' 12,7 27,7 45,5 56,1 60,3 65,0 62,6 61,4 54,5 51,1 27,9 15,4
м QnСК , кВрч 394 776 1411 1683 1869 1950 1938 1903 1635 1584 837 477
м Qo6rn, , кВт~ч 3046 3105 4301 4183 4460 4516 4552 4603 4084 4074 3166 2530
2010 г. м Qm , кВрч 3248 3650 3856 2737 2287 772 645 645 645 645 1934 2190
Чббщ , кВрч -202 -545 +445 +1446 +2113 +3744 +3907 +3958 +3439 +3429 +1232 +340
м ( Ч ПСК )пбл, кВт-ч 394 776 1411 1683 1869 772 645 645 645 645 837 477
( q ПСК )пбт, кВт-ч 0 0 0 0 0 +1178 +1293 +1258 +990 +939 0 0
( Оа )тн , кВт-ч 2652 2329 2445 1054 418 0 0 0 0 0 1097 1713
()эл, кВт-ч 0 0 +445 +1446 +2173 +2566 +2614 +2700 +2449 +2490 +1232 +340
2011 г. ГЛ м QTH , кВрч 3913 3223 2835 2627 1563 729 609 547 609 791 1642 2433
ЧОбщ , кВт'4 -867 -118 +1466 +1556 +2837 +3787 +3943 +4056 +3475 +3283 +1524 +97
м ( q ПСК )пол, кВт-ч 394 776 1411 1683 1563 729 609 547 609 791 837 477
( q ПСК )пот, кВт-ч 0 0 0 0 +306 +1221 +1329 +1356 +1026 +793 0 0
м ( WВЭА )ТН , кВт-ч 2652 2329 1424 944 0 0 0 0 0 0 805 1956
(wß-ЭА )эл, кВт-ч 0 0 +1466 +1556 +2531 +2566 +2614 +2700 +2449 +2490 +1524 +97
2012 г. м QTH, кВт•ч 3650 3407 3345 2555 913 608 547 547 608 729 1834 2737
чОбщ, кВрч -604 -302 +956 +1628 +3478 +3908 +4005 +4056 +3476 +3345 +1332 -207
( q ПСК )пол, кВт^ч 394 776 1411 1683 913 608 547 547 608 729 837 477
( q ПСК )пот, кВт^ч 0 0 0 0 +956 +1342 +1391 +1356 +1027 +855 0 0
( <ЭА )тн , кВт^ч 2652 2329 1934 872 0 0 0 0 0 0 997 2053
( Wß-ЭА )эл, кВт^ч 0 0 +956 +1628 +2531 +2566 +2614 +2700 +2449 +2490 +1332 0
Уравнение (24) пригодно для определения экономии топлива за счет использования ПСК и ВЭА в случаях обеспечения только лишь ТН. А для определения суммарного количества месячной и го
дичной экономии топлива при одновременном покрытии как ТН, так и ЭН, за счет комбинированного использования ПСК и ВЭА, могут быть использованы следующие уравнения:
3 (w™ )
(ВМЭА )ЭН = 0Д23 • 10, (25)
ВЭА s ЭН
П дубл
(26)
(ВВЭА }эН Т(ВМЭА }общ ,
Bм =0,123^10 •\пэл •(м ) + пгаз • Wм ] (27)
ТН+ЭН газ эл V ' дубл \1 ПСК)пол 'дубл ВЭА J > V-' >
П' дубл П дубл
тзгод _ X ' тзм
втн+эн = ¿^ Втн+ЭН , (28)
Таблица 10
Годичные ходы изменения коэффициентов замещения ПСК, ВЭА и электрической сети, а также экономия топлива за счет совместного использования ПСК и ВЭА
Table 10
Annual change variations of replacement coefficients of FSC, WEU and power network, as well as fuel saving by FSC and WEU sharing
Месяцы
Параметры I II III IV V VI VI I VII I IX X XI XII
ÍПСК , отн един- 0,121 0,213 0,363 0,615 0,817 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,359 0,232
О fВЭА , отн- един- 0,817 0,638 0,634 0,385 0,183 0 0 0 0 0 0,641 0,768
гч fœmb , отн- един- 0,062 0,149 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
/ПСК, отн. един. 0,101 0,241 0,498 0,641 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,60 0,196
о fВЭА , един. 0,83 0,723 0,502 0,359 0 0 0 0 0 0 0,40 0,804
гч 1сеть , отн. един. 0,222 0,037 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ÍПСК, отн. един. 0,108 0,228 0,422 0,659 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,456 0,174
гч fВЭА , отн. един. 0,89 0,684 0,578 0,341 0 0 0 0 0 0 0,544 0,826
гч fœmb , отн. един. 0,165 0,089 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,076
D м В ПСК, т.ут. 0,088 0,174 0,316 0,376 0,418 0,173 0,14 4 0,144 0,144 0,144 0,187 0,107
(ВЮА )тн , т.у.т. 0,593 0,521 0,547 0,236 0,093 0 0 0 0 0 0,245 0,383
- о (кбщ )тн , т.у.т. 0,681 0,695 0,863 0,612 0,511 0,173 0,14 4 0,144 0,144 0,144 0,432 0,566
«5 гч (ВЮА ) ЭН , т.у.т. 0 0 0,643 0,209 0,314 0,371 0,37 8 0,391 0,354 0,361 0,178 0,049
м ВТН+ЭН , т.у.т. 0,681 0,695 0,927 0,821 0,825 0,544 0,66 6 0,535 0,498 0,504 0,610 0,615
dm ВПСК, т.у.т. 0,088 0,174 0,316 0,376 0,35 0,163 0,13 6 0,122 0,136 0,177 0,187 0,107
(ВЭ )ТН , т.у.т. 0,593 0,521 0,318 0,211 0 0 0 0 0 0 0,18 0,437
2011 г. (Кбщ )ТН , т.у.т. 0,681 0,695 0,634 0,587 0,35 0,163 0,13 6 0,122 0,136 0,177 0,367 0,544
(ВМЭА ) ЭН , т.у.т. 0 0 0,212 0,225 0,366 0,371 0,37 8 0,391 0,354 0,361 0,221 0,014
dm втн+эн , т.у.т. 0,681 0,695 0,846 0,812 0,716 0,534 0,51 4 0,513 0,49 0,537 0,588 0,558
D м впск , т.у.т. 0,088 0,174 0,316 0,376 0,204 0,136 0,12 2 0,122 0,136 0,163 0,187 0,107
(ВМЭА )ТН , т.у.т. 0,593 0,521 0,433 0,195 0 0 0 0 0 0 0,223 0,452
- (Вобщ )ТН , т.у.т. 0,681 0,695 0,749 0,571 0,204 0,136 0,12 2 0,122 0,136 0,163 0,41 0,566
о гч (ВМЭА ) ЭН , т.у.т. 0 0 0,138 0,2360 0,366 0,371 0,37 8 0,391 0,354 0,361 0,193 0
Dm втн+эн , т.у.т. 0,681 0,695 0,887 0,807 0,57 0,507 0,50 0,513 0,49 0,523 0,603 0,566
Результаты расчета численных значений коэффициентов замещения и экономии условного топлива, с использованием уравнений (23)^(28), приведены в табл.10.
Используя данные, приведенные в табл.10 были определены также годовые количества экономии условного топлива за 2010, 2011 и 2012 г.г. с учетом как ТН, так и ЭН, которые составляют, соответственно 7,921 т.у.т., 7,484 т.у.т и 7,342 т,у.т. Это является хорошим результатом для одной установки для ТС и ГВС, с комбинированным использованием солнечной и ветровой энергии.
Из анализа табл.10 видно, что энергия сети используется только в январе и феврале. При этом коэффициент замещения сети в самом худшем
случае составляет /сеть = 0,222, что также является достаточно хорошим результатом. А для круглосуточного обеспечения ТН на ТС и ГВС только за счет ПСК и ВЭА, необходимо использовать ВЭА, с максимальной мощностью 4,5 кВт.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Для экспериментального частного дома, расположенного на территории г. Баку, были определены суточные, месячные и годовые значения общей ТН на ТС и ГВС, для чего были использованы ежемесячные показания газового счетчика за три года (2010-2012 г.г.).
2. Для возможности максимального покрытия ТН экспериментального дома на ТС и ГВС, в том числе в холодные месяцы года, были определены энергетические характеристики и типы как ПСК, так и ВЭА. При этом в качестве ВЭА выбран унифицированный, модернизованный агрегат типа АВЭУ-6-4М, с диаметром ВК 6,6 м и мощностью 4 кВт, а в качестве ПСК, коллекторы типа 8РЬ, выпускаемые в Сумгаитском Технопарке. Суммарная площадь всех коллекторов - 20 м2.
3. С учетом коэффициента повторяемости мгновенных скоростей ветра и времени работы ВЭА при разных градациях скорости ветра, расчетным путем найдены суточные, месячные и годовые значения удельной мощности, развиваемой с единицы ометаемой площади ВК, и общей развиваемой мощности ВЭА. Аналогичным образом были найдены КПД и теплоэнергетические параметры двухстекольных ПСК общей площадью 20 м2, с учетом среднемесячных значений дневного прихода суммарной солнечной радиации на единицу наклонной плоскости ПСК.
4. Определено, что в климатических условиях г. Баку в течение всего года, кроме января и февраля месяцев, возможно круглосуточное обеспечение жителей экспериментального дома теплом и горячей водой за счет комбинированного
использования ВЭА и ПСК с выбранными мощностями. Для покрытия ТН в ТС и ГВС в январе и феврале месяцах года необходимо использовать централизованную сеть энергоснабжения.
5. Определены коэффициенты замещения ВЭА, ПСК и электрической сети. При этом коэффициент замещения сети в самом худшем случае составляет 0,222. Определены также годовые количества экономии условного топлива за 2010, 2011 и 2012 г.г., с учетом как ТН, так и электрической нагрузки, которые составляют, соответственно 7,921 т.у.т., 7,484 т.у.т и 7,342 т,у.т.. Эти результаты является достаточно хорошими результатами для одной КСВЭС для ТС и ГВС.
Список литературы
1. Саламов О.М., Аббасова Ф.А ,Рзаев П.Ф. Расчет солнечной водоподогревательной системы для горячего водоснабжения сельской семьи. //Международный научный журнал «АЭЭ». 2006. № 6. С. 30-36.
2. Саламов О.М., Салманова Ф.А. Возможности горячего водоснабжения и теплоснабжения частных домов от солнечных и ветроэнергетических установок при различных вариантах согласования их между собой. //Международный научный журнал «АЭЭ». 2010. №5. С.125-126.
3. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газовых реакций. М.: Наука, 1974.
4. У.Бекман, С.Клейн. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1982.
5. Авезов Р.Р. и др. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. М.: Стройиздат, 1990.
6. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Т.: Фан, 1988.
7. Байрамов Р.Б., Ушакова А.Д. Солнечные водонагревательные установки. Ашхабад: Ылым, 1987.
8. Salamov O.M., Mammadov F.F., Samadova U.F. Prospects of wind energy application in Azerbaijan. //«ISJAEE». 2010. №1. P.132-144.
9. Патент Азербайджана, i 2011 0002 МКИЗ F24J 2/04b 2/30, F03D 9/02 Комбинированная установка для горячего водоснабжения и теплоснабжения /Мамедов Г.Ш., Саламов О.М., Маме-дов Ф.Ф., Самедова У.Ф. Промышленная собственность. Изобретения. Полезные модели. 2010. №2.
10. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983.
11. Де Рензо Д.Дж. Ветроэнергетика. М.: Энергоиздат, 1982.
