CC BY
69
--© В.В. Слесаренко, А.Н. Гульков,
И.В. Слесаренко, 2013
УЛК 621.311.68
В.В. Слесаренко, А.Н. Гульков, И.В. Слесаренко
ВЫБОР УСТАНОВОК ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Приведены характеристики основных видов установок возобновляемой энергетики, используемых для полного или частичного тепло и электроснабжения объектов индивидуального жилищного строительства. Рассмотрены особенности применения комбинированных систем энергоснабжения.
Ключевые слова: энергоснабжение, солнечные водонагревательные установки, солнечные фотоэлектрические преобразователи, ветроэнергетические установки, тепловые насосы.
Введение
Л ля обеспечения объектов индивидуального жилищного строительства электроэнергией и теплом для отопления и ГВС можно применить ряд установок, использующих солнечную энергию, энергию ветра и тепловую энергию окружающей среды (геотермальную теплоту, теплоту подземных вод, сточных вод, теплоту окружающего воздуха). Применяются следующие аппараты локальной энергетики, которые работают на основе возобновляемых источников энергии: солнечные водонагревательные установки, солнечные фотовольтные панели, ветроэнергетические установки, тепловые насосы, гибридные установки.
Солнечные водонагревательные установки (СВНУ) используются в системах теплоснабжения зданий для обеспечения горячего водоснабжения [1, 2]. Для климатических условий РФ характерно применение двухконтурных СВНУ (в первом контуре - антифриз, во втором - вода). При наличии в коттедже бассейна СВНУ могут обеспечивать заданный тепловой режим контура циркуляции и отопление бассейна. Отопление всего здания коттеджа с помощью СВНУ обычно не практикуется, так как для этого требуется большое количество солнечных коллекторов (20 - 30 штук на здание), а в летний период нет возможности использовать значительные излишки тепла от
СВНУ, что приводит к перегреву установки (солнечные коллектора летом приходится экранировать). В зимний период достичь высокого уровня температуры в системе отопления на базе СВНУ трудно, поэтому приходится использовать специальные обогреватели, фанкойлы, «теплые полы» и.т.д.
Основным узлом СВНУ являются солнечные коллекторы. Сегодня наиболее востребованы трубчатые коллекторы вакуумного типа и плоские коллекторы. Оба типа коллекторов имеют примерно равные теплотехнические характеристики. Плоские коллекторы более технологичны в изготовлении, имеют меньшую стоимость, занимают в 2 раза меньше площади, чем вакуумные. В зимних условиях плоские коллекторы подогревают теплоноситель до более высокой температуры и менее инерционные. Однако вакуумные коллекторы обеспечивают более высокий интегральный теплосъем с 1 м2 активной поверхности в течение календарного года. Солнечные коллекторы размещают в основном на крыше или стенах здания.
Пиковый энергетический потенциал СВНУ может достигать 1 кВт/м2 Среднесуточная выработка теплоты летом - 4 кВтч/м2, зимой - 2 кВтч/м2 (для г. Владивостока). Достигаемая температура воды в системе ГВС составляет 85 - 90 оС, рекомендуемая - 50 оС.
Солнечные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) используются для обеспечения автономного или замещающего электроснабжения [3,4]. Мощность установки ФЭП зависит от количества панелей (площади восприятия солнечной радиации). В любом случае применение ФЭП снижает потребление электроэнергии от параллельных источников, в качестве которых могут быть задействованы электросеть, ветроагрегат, дизельный электрогенератор. В большинстве случаев мощность ФЭП подбирается равной электрической бытовой нагрузке коттеджа (или замещает часть этой нагрузки). Возможно обеспечение от ФЭП работы системы ГВС здания при использовании локальных электробойлеров. Системы электроотопления, работающие от ФЭП, требуют монтажа большого количества солнечных панелей и подключения батареи мощных электроаккумуляторов.
Пиковый энергетический потенциал ФЭП может достигать 0,3 кВт/кв.м. Среднесуточная выработка электроэнергии летом равна примерно 1,2 кВтч/м2, зимой - 0,5 кВтч/м2.
Существуют различные виды солнечных панелей и большое число их производителей. Наиболее эффективными, качественными и доступными по цене являются монокристаллические солнечные панели. Срок службы таких панелей составляет обычно 40 - 50 лет. Производительность за каждые 20 - 25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%. КПД солнечных фотовольтных панелей составляет 15 - 17%. Качественные солнечные панели легко выдерживают любые погодные условия, даже крупный град. Единственный требуемый уход -периодически очищать поверхность панели от снега и пыли, что значительно увеличивает производительность системы электроснабжения. ФЭП легко монтируются, т.к. вес типовой солнечной панели не превышает 10 - 20 кг. Распространенным местом расположения ФЭП является крыша здания, максимально ориентированная на южную сторону. Размеры стандартной панели мощностью 185 Вт составляют 1,540,8 м. Таким образом, на участке крыши размером 545 м можно установить солнечную батарею мощностью около 4 кВт.
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) применяются для компенсационного и автономного электроснабжения [5,6]. Мощность ВЭУ определяется размерами ветроколеса. Выбор типа ВЭУ из параметрического ряда производится по требуемой мощности. Например, ВЭУ с горизонтальным ротором мощностью 2 кВт имеют высоту мачты 25 - 30 м и диаметр ветроколеса более 5 м. Рабочая скорость ветра для всех ВЭУ с горизонтальным ротором - не менее 4 м/с. Применение ВЭУ оправдано при наличии в зоне размещения установок постоянных ветровых потоков. Так, в районе г. Владивостока устойчивый ветер скоростью выше 4 м/с постоянно наблюдается только на морском побережье и на верхних отметках прилегающих сопок. Размещаются ВЭУ на расстоянии 100 - 150 м от здания из-за наличия шума при работе (35 - 40 Дб). Обычно ВЭУ работают параллельно с другими источниками электроэнергии -электросетью, ФЭП или дизельным генератором.
Для локальных систем энергоснабжения разработаны ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения многолопастного ротора. Мощность серийно выпускаемых агрегатов не превышает обычно 5 кВт. Основными достоинствами таких установок являются малая шумность и пониженный предел начальной рабочей скорости ветра (1 - 2 м/с).
Тепловые насосы (ТН) являются сегодня наиболее эффективными установками возобновляемой энергетики, используемыми для целей теплоснабжения [7,8]. Вид и мощность ТН зависит от наличия источника низкотемпературного тепла. Обычно тепловой насос вырабатывает в 2 - 3 раза больше теплоты, чем потребляет электроэнергии из сети. Наиболее простые системы отопления с ТН используют в качестве источника теплоты окружающий воздух. Однако в зимний период при температуре воздуха ниже -15 оС ТН работают недостаточно эффективно - практически в режиме электрокалорифера (т.е. выделяют теплоту эквивалентно электроэнергии, потребляемой на привод компрессора ТН). Таким образом, тепловая производительность ТН зависит от температуры источника тепла. Для получения геотермальной теплоты на отопление коттеджа с помощью ТН необходимо наличие поля подземных скважин (8 - 10 шт.) глубиной 40 - 60 м, через которые будет прокачиваться теплоноситель-антифриз.
Температура греющего теплоносителя после парокомпрес-сионных тепловых насосов не выше 60 оС, поэтому при применении ТН в отопительной системе используются конструкции в виде «теплых полов», «теплых стен», фанкойлов или проектируется воздушная система отопления здания.
Производители ТН гарантируют длительные сроки их непрерывной эксплуатации - не менее 25 - 30 лет. Агрегаты полностью автоматизированы и подключаются к любым видам систем теплоснабжения.
Гибридные установки. Эффективность и надежность работы установок возобновляемой энергетики значительно возрастает при их совместном использовании. Обычно в единую агрегатную систему объединяют:
а) ФЭП и ВЭУ как взаимно дополняющие электрогенери-рующие установки;
б) СВНУ и ФЭП, при этом ФЭП обеспечивают электроэнергией насосы СВНУ и повышают надежность работы системы теплоснабжения при аварийном отключении электросети;
в) ТН и СВНУ как взаимно дополняющие теплогенери-рующие установки;
г) ФЭП, ТН и СВНУ при проектировании автономной системы энергоснабжения.
Варианты энергоснабжения без использования ВИЭ
При электроснабжении объектов индивидуального жилищного строительства от электросети при лимите мощности 25 кВт на один коттедж (здание типа «теплый дом» - с минимальными потерями тепла) рекомендуется применять электроотопление здания с системой, оснащенной проточными нагревателями типа «теплый пол» и фанкойлами и т.д. При этом располагаемая мощность системы отопления составляет 20 кВт. К электросети подключаются локальные бойлера на ГВС и бытовая электронагрузка - мощностью до 5 кВт. Дублером является дизельный генератор мощностью 10 - 15 кВт, используемый в аварийном режиме. Обслуживание бассейна требует отбора из электросети дополнительной нагрузки сверх установленного лимита. При недостатке электроотопления в зимний период используются резервные теплогенераторы на жидком топливе.
При отсутствии резервов в системе электроснабжения коттеджа к электросети подключаются только бытовые потребители и локальные бойлера ГВС в летний период. При этом потребляется мощность до 5 кВт. Отопление и ГВС коттеджа зимой осуществляется от дизельного (или газового) котла. Энергетическим резервом может служить дизельный генератор мощностью 5 - 10 кВт, используемый в аварийном режиме. Требуется специальное помещение и емкости с топливом на 1,5 - 3 куб.м. (месячный запас). Применение дизельного котла позволяет отапливать крытый бассейн. Вместо дизельного котла может быть установлен котел на топливных брикетах (пелле-тах), что снизит затраты на отопление на 25 - 30 %.
Электроснабжение и отопление объектов индивидуального жилищного строительства с бассейном и ГВС в зимний период возможно от дизельной (или газовой) когенераци-онной установки мощностью 30 - 50 кВт. Резервным энергоисточником будет электросеть в летний период и в аварийных режимах.
При газификации коттеджного поселка основным источником теплоснабжения в зимний период будет газовый котел, летом целесообразно использовать газовые водонагреватели. Электрическая и тепловая нагрузка коттеджа может также обеспечиваться подключением к газовой сети когенерацион-ной установкой необходимой мощности.
Основные варианты энергоснабжения с установками ВИЭ
Эффективным является электроснабжение объектов индивидуального жилищного строительства от сети (20 - 25 кВт) и солнечных фотовольтных панелей (мощностью 5 кВт) на принципе взаимного замещения. Система электроотопления оснащается проточными нагревателями типа «теплые полы», «теплые стены», фанкойлы и т.д. Устанавливаются электробойлера на ГВС, подключается бытовая электронагрузка. Дублером служит дизельный генератор мощностью 10 - 15 кВт, используемый в аварийном режиме. При недостатке мощности электроотопления в зимний период используются теплогенераторы на жидком топливе. Дополнительные 5 кВт от сети, замещаемые ФЭП, могут быть использованы на отопление бассейна.
При отсутствии резерва электроэнергии к электросети подключают только бытовую электронагрузку здания (до 5 кВт). Для теплоснабжения бассейна и ГВС здания применяют СВНУ Отопление производится традиционным способом с помощью газового или дизельного котла.
Если электроснабжение производится от сети (бытовая нагрузка до 5 кВт) и имеется резерв мощности 5 - 10 кВт, в схеме отопления и ГВС следует применять тепловой насос типа «воздух-воздух» или «воздух-вода». ТН будет потреблять 5 - 10 кВт электрической мощности и вырабатывать 25 - 30 кВт тепловой мощности. В зимний период (при недостатке теплоты от ТН) осуществляется дополнительный подогрев воздуха электрокалориферами или теплогенераторами на жидком топливе. Снижение затрат возможно за счет включения в схему электроснабжения коттеджа ФЭП мощностью 5 кВт или установки баков для аккумуляции теплоты при работе ТН только в ночное время (по ночному электротарифу).
Во всех рассмотренных вариантах целесообразно применять СВНУ для обеспечения коттеджа горячей водой. Это снижает общий уровень электропотребления, уменьшает расход дизельного топлива или газа на 5 - 10 %.
ВЭУ используются в случае наличия в районе застройки полей высокой ветровой активности. Отдельно стоящий коттедж может оснащаться ВЭУ мощностью 2 - 3 кВт для замещения части электропотребления, аналогично схеме с ФЭП. Однако при групповой застройке правильным решением является
создание ветростанции коллективного пользования, объединяющей несколько ветроагрегатов. Такое решение снижает затраты на строительство и обслуживание установок, а также повышает надежность энергоснабжения объектов индивидуального жилищного строительства.
Характеристика используемого оборудования установок ВИЭ
Ингрид-система подключения ФЭП к электросети. Ингрид-система солнечных панелей напрямую присоединяется к внешней электросети. Такая система не использует аккумуляторы, а работает только днем для подачи электроэнергии к бытовым потребителям в коттедже. При этом существует возможность передать излишки генерируемой энергии во внешнюю электросеть. Ингрид-системы помогают экономить электричество в домашнем хозяйстве, а также могут страховать системы солнечных коллекторов СВНУ от перегрева в случае отключения электричества и прекращения работы их насосов.
Ингрид-система состоит из солнечных панелей и специального ингрид-инвертера, который преобразует солнечную энергию от панелей непосредственно в электричество для использования в хозяйстве. За счет этого уменьшается потребление электроэнергии от внешних источников. За год ингрид-система мощностью 5 кВт вырабатывает до 16000 киловатт-часов электроэнергии. Системы большей мощности могут давать избыточное количество энергии, которое может поступать в общую электросеть, но пока по российским законам это финансово не компенсируется владельцу солнечных панелей. В других странах ингрид-системы солнечных панелей распространены именно потому, что позволяют владельцам продавать производимую энергию в общую электросеть по более высокой стоимости (как от установки «чистой» энергии).
Система электроснабжения коттеджа от ФЭП на 5 кВт. Стандартная система ФЭП автономного электроснабжения состоит из батареи солнечных панелей общей мощностью 5 кВт. Установка комплектуется контроллером заряда, инвертером и аккумуляторами. Подобная система позволяет надежно обеспечить потребности коттеджа в электричестве по бытовой нагрузке. В месяц эта система вырабатывает в среднем около 1400 кВтч, что достаточно для работы всех электроприборов в нормальном режиме использования. В сочетании с солнечными
коллекторами СВНУ такой системы будет достаточно для обеспечения горячей водой и электричеством коттеджа площадью до 450 м2. Вырабатываемая энергия может быть увеличена или уменьшена в соответствии с нуждами потребителя за счет изменения площади ФЭП.
Система электроснабжения коттеджа от ФЭП на 2 кВт. Малая система автономного энергообеспечения состоит из батареи солнечных панелей мощностью 2 кВт. Такая система предназначена для обеспечения минимальной бытовой нагрузки (освещения, использования бытовых приборов средней мощности). За месяц система вырабатывает до 700 кВтч электричества летом и 300 кВтч зимой на широте г. Владивостока. Этого достаточно для снабжения электричеством экономно потребляющей энергию семьи из 3 - 4 человек (без электропитания локальных бойлеров ГВС). В комплект системы входят солнечные панели, контроллер заряда, инвертер и аккумуляторы.
Система электроснабжения группы коттеджей от ФЭП на 20 кВт. Большая система автономного энергообеспечения состоит из солнечных панелей общей мощностью 20 кВт. Подобная система позволяет надежно обеспечить потребности в электричестве коттеджа площадью до 250 м2, включая электроотопление. При площади коттеджа 450 м2 в зимний период требуется дополнительный подвод энергии на отопление здания. Такая система может быть сориентирована на нескольких потребителей. В этом случае на 4 коттеджа приходится минимально по 5 кВт мощности от ФЭП. В месяц система вырабатывает в среднем 6000 кВтч. В комплекте с солнечными коллекторами СВНУ такой системы будет достаточно для обеспечения горячей водой и электричеством группы из 4 коттеджей. Эффективность системы возрастает в силу неравномерности потребления электроэнергии каждым из коттеджей. Для электроснабжения более крупной группы коттеджей можно использовать систему батарей ФЭП мощностью до 100 кВт.
Система ФЭП на 20 кВт, имеющая площадь 120 кв.м., может размещаться не на крыше зданий, а на специальных конструкциях (на мачтовой опоре, на навесе для автостоянки общего пользования, на ограждении поселка с внутренней южной стороны и.т.д.)
Солнечная водонагревательная установка для ГВС коттеджа. СВНУ состоит из группы солнечных коллекторов, бака-аккумулятора со встроенными теплообменниками и резервным электронагревателем, насосной станции, системы трубопроводов и узла автоматики. Для климатических условий РФ следует отдать предпочтение плоским солнечным коллекторам. Для обеспечения ГВС коттеджа без бассейна с количеством проживающих 4 - 6 человек требуемая площадь солнечных коллекторов составляет 8 - 10 кв.м. При размещении в коттедже крытого бассейна требуется 0,5 кв. м. солнечных коллекторов на 1 кв. м. площади водного зеркала бассейна. Бак-аккумулятор подбирается на 300 или 500 литров.
Комбинированная установка для ГВС коттеджа. Установка включает СВНУ и тепловой насос для подогрева воды в системе ГВС коттеджа (при проживании 4 - 6 человек). Установка обычно конструируется и изготовляется в виде отдельного модуля, оснащенного необходимым вспомогательным оборудованием и полностью автоматизированного. Электропотребление всей системы периодическое: при включении ТН - 2,5 кВт, на насосы циркуляции - до 1,0 кВт. В схеме обычно применяется бак-аккумулятор на 300 или 500 литров. Система ГВС имеет высокую надежность даже при полном отсутствии солнечного сияния в течение 5 - 7 дней.
Комбинированная установка для крытого бассейна (водное зеркало 3*6 м). Установка включает СВНУ и тепловой насос типа «воздух-вода» и обеспечивает поддержание заданной температуры воды в бассейне и микроклимат в помещении бассейна не ниже 18 оС. Установка модульного типа, оснащается необходимым вспомогательным оборудованием и полностью автоматизирована. Электропотребление всей системы равно 3 - 5 кВт. В качестве дублера используется проточный электронагреватель на 5 кВт.
Тепловой насос для отопления и ГВС коттеджа с бассейном. Теплонасосный агрегат состоит из парокомпрессионного ТН, теплообменников, насосной (или вентиляторной) станции, трубопроводов и узла автоматики. Мощность ТН зависит от теплофикационной нагрузки здания. Для коттеджа площадью 450 м2 отопительная мощность ТН может быть принята на уровне 30 - 50 кВт. Потребление электроэнергии ТН из сети составляет 7 - 10 кВт. При использовании ТН типа «воздух-
вода» система отопления проектируется в виде «теплых полов» или «теплых стен». При применении ТН типа «воздух-воздух» рекомендуется воздушная система отопления, совмещаемая с системой вентиляции здания и позволяющая регенерировать теплоту вентиляционных выбросов. Дублером ТН могут быть резервные калориферы на жидком топливе (или газе), резервные проточные электронагреватели, электрокалориферы, работающие от дизельного генератора или электросети. При применении совместно с тепловым насосом СВНУ, ФЭП или ВЭУ повышается надежность системы теплоснабжения в целом, а годовые затраты на электроэнергию могут быть снижены на 50 %. Система также может оснащаться баками-аккумуляторами (объемом до 3 куб.м.) для обеспечения работы ТН в период действия ночного тарифа на потребляемую электроэнергию.
Реализация проекта «Умный дом». Проект «Умный дом» подразумевает внедрение микропроцессорной системы управления основными технологическими процессами в здании -отоплением, ГВС, кондиционированием, освещением, включением и выключением бытовых приборов. Система позволяет поддерживать заданный влажностно-температурный режим в каждом помещении здания, реализует энергосберегающий принцип освещения помещений по факту присутствия человека, включает и выключает бытовые приборы в заданные периоды времени или по внешнему сигналу (например, от сотового телефона), контролирует проникновение в здание посторонних лиц в режиме «Охрана» и т.д. Реализация концепции «Умного дома» значительно упрощает организацию совместной работы традиционных систем энергоснабжения и установок возобновляемой энергетики и обеспечивает дополнительную экономию энергопотребления на уровне 20 - 30 %.
Выводы
1. Комбинированные системы энергоснабжения с использованием ВИЭ могут включать солнечные водонагрева-тельные установки, фотоэлектрические преобразователи, тепловые насосы и ветроэнергетические установки при различном сочетании генерирующих мощностей агрегатов.
2. Рациональный уровень обеспечения энергоснабжения за счет использования установок возобновляемой энергетики зависит от наличия в районе застройки традиционных источников энергии, стоимости и лимита поставки электроэнергии
сетевой компанией, возможности газификации объектов индивидуального жилищного строительства.
3. В локальных системах энергоснабжения с установками возобновляемой энергетики рекомендуется использовать агрегаты, позволяющие компенсировать требуемый минимум потребления электрической энергии, полностью замещать нагрузку системы ГВС.
4. При покрытии отопительной нагрузки коттеджа наиболее эффективными агрегатами являются тепловые насосы, которые можно сочетать с СВНУ и аккумуляторами теплоты различного вида.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слесаренко В.В., Копылов В.В., Княжев В.В. Оценка эффективности установок солнечной энергетики в системах теплоснабжения // Вестник ДВО РАН. 2010. №3. С.119 - 124.
2. Слесаренко В.В., Богданович Г.А., Жуков В.А., Слесаренко И.Б. Особенности применения гелиоустановок с тепловыми насосами // Энергосбережение и водоподготовка. - М., 2011. №5. С.24-28
3. Тарнижевский Б.В. Альтернативные источники энергии. Состояние и перспективы использования // Промышленная энергетика. 2002. №1.
4. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии // Под ред. В.И. Виссарионова. - М.: ООО «Фирма ВИЭН», 2004.
5.Харитонов В.П., Абрамов Н.Д., Салимов В.Э., Вольсов Д.Р. Анализ характеристик ветроэлектрических установок //Техника в сельском хозяйстве. 2004.№5.
6.Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264 с.
1.Бутузов В.А. Перспективы применения тепловых насосов // Промышленная энергетика. 2005. № 10.
8. Slesarenko V.V., Knyazhev V.V., KopylovV.V. Application of combined solar systems with heat pump on Far East of Russia // Proceedings of conference RENEWABLE ENERGY 2010, 27 June - 2 July, Pacifico Yokogama, Yokogama, Japan, O-Th-8-2. ГТТТГ^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, профессор кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии, vslesarenkov@rambler.ru Гульков Александр Нефедович - доктор технических наук, профессор. Зав кафедрой Нефтегазового дела и нефтехимии,
Слесаренко Илья Вячеславович - аспирант кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии,
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток.
