Комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в автономных теплоэнергетических комплексах: Включая возобновляемые источники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор технических наук Шишкин, Николай Дмитриевич

• Шишкин, Николай Дмитриевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Шишкин, Николай Дмитриевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ.

1.1. Запасы и потребление энергоресурсов.

1.2. Особенности использования различных источников энергии.

1.3. Комбинирование возобновляемых источников энергии.

1.4. Варианты согласования энергоустановок с потребителями.

1.5. Эффективность теплоэнергетических установок с различными источниками энергии.

1.6. Классификация АТК.

1.7. Основные задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых источников энергии и теплоэнергетических комплексов на их основе.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ТРАНСФОРМАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ.

2.1. Задачи исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации возобновляемых видов энергии.

2.2. Исследование теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

2.2.1. Анализ теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

2.2.2. Экспериментальные исследования теплообмена в коллекторах солнечной энергии.

2.3. Анализ теплотехнической эффективности применения пассивной системы солнечного отопления с использованием дополнительных энергосберегающих устройств.

2.4. Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

2.4.1. Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

2.4.2. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в механическом теплогенераторе.

2.5. Исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.5.1. Аналитические и численные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.5.2. Экспериментальные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.6. Исследование энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.6.1. Анализ энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.6.2. Экспериментальные исследования энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.7. Исследование энергетической эффективности биоэнергетических установок.

2.7.1. Анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках.

2.7.2. Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА.

3.1. Задачи исследования теплообмена при плавлении и затвердевании тепло-аккумулирующих материалов фазового перехода.

3.2. Исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалах фазового перехода.

3.2.1. Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода.

3.2.2. Экспериментальные исследования теплофизических свойств битумо-парафиновых смесей, предлагаемых для использования в качестве теплоаккумули-рующих материалах фазового перехода.

3.3. Исследование теплообмена при плавлении и затвердевании теплоаккуму-лирующих материалов фазового перехода.

3.3.1. Аналитические исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода плоской, цилиндрической и шаровой формы.

3.3.2. Экспериментальные исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода различной формы.

3.4. Обобщение исследований теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода.

3.4.1. Вывод критериальных уравнений, обобщающих исследования теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода. 3.4.2. Обобщение экспериментальных данных по исследованию теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода и сопоставление с расчетными зависимостями.

3.5. Исследование интенсификации теплообмена при применении высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.1. Форма высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.2. Математическое моделирование тепловых процессов в слоях теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов с высокотеплопроводными инклюзивами пластинчатой формы.

3.5.3. Анализ интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.5.4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.6. Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛА, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

4.1. Задачи создания методик и алгоритмов теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии.

4.2. Методики и алгоритмы расчета гелиоустановок гравитационного типа.

4.3. Метод дополнительной нулевой энергии для расчета основных параметров пассивной системы солнечного отопления.

4.4. Методика расчета параметров механических ветротеплогенераторов.

4.5. Методика расчета и оптимизация теплотехнических параметров биоэнергетических установок.

4.6. Методика расчета и оптимизация параметров тепловых аккумуляторов. 142 Выводы по главе 4.

Глава 5. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ.

5.1. Задачи анализа структуры и энергетической эффективности АТК.

5.2. Структурно-морфологический анализ АТК.

5.3. Оценка эффективности элементов АТК.

5.4. Энергетическая эффективность АТК.

5.5. Структурно-функциональных модели АТК.

5.6. Анализ потоков энергии в АТК.

Выводы по главе 5.

Глава 6. АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ . АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

6.1. Задачи термодинамического анализа АТК.

6.2. Основы анализа термодинамической эффективности энергоустановок в АТК.

6.3. Термодинамическая эффективность АТК с несколькими источниками энергии.

6.4. Основные результаты анализа термодинамической эффективности

6.5. Обобщение результатов оценки термодинамической эффективности и рекомендации по комбинированию различных источников тепла в АТК.

Выводы по главе 6.

Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ.

7.1. Задачи анализа технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.2. Анализ технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов с возобновляемыми источниками энергии.

7.3. Методика расчета технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.4. Экономико-экологическая оценка и оптимизация АТК с возобновляемыми источниками энергии.

Выводы по главе 7.

Глава 8. РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ^ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК.

8.1. Схемные решения комбинирования новых типов трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых видов в энергии.

8.2. Метод оптимизации АТК с топливными энергоресурсами, возобновляемыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами.

8.3. Практическое использование результатов исследований.

Выводы по главе 8.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в автономных теплоэнергетических комплексах: Включая возобновляемые источники»

В настоящее время в мире потребляется огромное количество первичной энергии (15 млрд. т у. т. в год), в том числе в России 1,5 млрд. т у. т. в год, причем около 40 % этой энергии используется в системах теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов (природного газа, нефти, угля) ограничены. После энергетического кризиса 1970-х годов большие надежды стали возлагаться на низкопотенциальные, в том числе, на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также вторичные энергоресурсы (ВЭР).

В 1994 году Минэнерго Российской Федерации была разработана концепция использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики. Руководствуясь главной целью энергетической стратегии по эффективному использованию энергоресурсов для повышения эффективности производства и жизненного уровня населения, была сформулирована задача существенного увеличения доли низкопотенциальных источников и ВИЭ в энергобалансе России. Эта задача особенно актуальна для объектов, удаленных от централизованных систем теплоснабжения, т. е. в автономных теплоэнергетических комплексах (АТК) в сельской местности, в пустынных, горных и северных регионах страны.

Однако эффективное использование различных источников энергии в АТК связано с большими трудностями, в том числе и потому, что слабо разработаны методы оценки их теплотехнической эффективности и оптимального комбинирования. Кроме того, применение ВИЭ в АТК сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся недостаточно высокие показатели эффективности преобразования и аккумулирования ВИЭ, а также высокие удельные капитальные затраты на трансформаторы и аккумуляторы ВИЭ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется современным состоянием развития энергетики и связанной с этим необходимостью решения проблемы комбинирования и эффективного использования источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ в АТК для широкого круга автономных потребителей.

Основная идея работы состоит в разработке научных и практических основ создания оптимальных с энергетической, термодинамической и экономической точек зрения вариантов АТК на основе методологии теплотехнической оценки эффективности АТК с различными источниками тепловой энергии и использования высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ.

Объектом исследования являются теплоэнергетические технологии и источники тепловой энергии, используемые в автономных теплоэнергетических комплексах, включая ВИЭ.

Целью работы является разработка теплотехнических основ комбинирования и эффективного использования различных источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ, в автономных теплоэнергетических комплексах для широкого круга потребителей.

Данная цель достигнута решением следующих основных задач исследования:

- разработка новых единых подходов и методов оценки энергетической эффективности комбинирования различных источников тепла в АТК, имеющих сложную структуру;

- разработка методологии оценки термодинамической эффективности комбинирования различных энергоисточников, включая ВИЭ, в зависимости от структуры энергокомплексов, вида энергоисточников и их вклада в общий эксергетиче-ский баланс АТК;

- теоретические и экспериментальные исследования преобразования ВИЭ в тепловую энергию и разработка на их основе новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ;

- теоретические и экспериментальные исследования теплоаккумулирующих материалов фазового перехода и разработка на их основе оптимальных вариантов тепловых аккумуляторов для АТК с ВИЭ;

- разработка новых подходов к оптимизации вариантов АТК на основе анализа и синтеза многообразия комбинированных схемных решений с использованием различных источников энергии;

- практические рекомендации по применению источников энергии, включая ВИЭ, для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

Научная новизна выполненной диссертационной работы заключается:

- в разработке методологии оценки АТК, получении расчетных формул для энергетического КПД АТК и энергетической оптимизации комбинирования различных источников теплоты;

- в разработке новые подходов и методик оценки термодинамической эффективности отдельных установок и комбинированных схем АТК с использованием различных источников теплоты, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты в АТК введен эксергетический КПД АТК;

- в теоретическом обосновании новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ на основе анализа гидродинамики и теплообмена при трансформации различных возобновляемых видов энергии в теплоты;

- в получении критериальных уравнений для расчета и оптимизации основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов;

- в создании специальных методик и алгоритмов теплотехнического расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ (гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплогенераторов, биоэнергетических установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы) и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода для АТК;

- в разработке концепции поиска оптимальных для множества типов потребителей вариантов АТК в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием результатов математического моделирования и аналитических расчетов с данными, полученными при проведении экспериментов на опытных конструкциях установок в лабораторных и производственных условиях, как автором, так и другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях, семинарах и симпозиумах.

Личный вклад автора состоит в том, что в работу включены только собственные результаты, полученные автором: методология оценки энергетической и термодинамической эффективности АТК, теоретические, экспериментальные исследования и разработки высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, метод поиска оптимальных вариантов АТК, проходящего в 5 этапов: анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные теоретические и практические положения обеспечивают теплотехнические основы совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, а также оптимального комбинирования различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации:

- новых технических решений и разработок в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЭ в теплоэнергетике, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве;

- методик расчета оптимальных параметров трансформаторов солнечной, ветровой энергии и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода с высокотеплопроводными инклюзивами при их проектировании и эксплуатации;

- ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация, позволяющей разработать оптимальный для любого конкретного потребителя вариант АТК;

- практических рекомендаций и технических предложений по АТК с ВИЭ для широкого класса потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

В целом, использование результатов работы и рекомендаций автора на стадии технико-экономических обоснований, технических предложений, проектных разработок и практического применения повысит конкурентоспособность и экономическую эффективность АТК с ВИЭ, существенно улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и экологическую обстановку в регионах и на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.

Практическое использование результатов, полученных автором:

- предложенные технологии и устройства по использованию ВИЭ, защищенные патентами, включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах»;

- разработана техническая документация на гелиоустановки гравитационного типа, механические теплогенераторы, тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, в том числе и в форме дипломных проектов принятых для внедрения для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств и домов усадебного типа;

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;

- разработка автономных систем инженерного обеспечения с применением ВИЭ рекомендована Ассоциацией крестьянских и фермерских хозяйств, для внедрения в хозяйствах Астраханской области, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

- основные результаты исследований и разработок автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;

- по материалам диссертации в Астраханском инженерно-строительном институте ведутся несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в теплогенерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция", часть материалов автора использованы в Астраханском государственном техническом университете при изучении дисциплин "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", а также дисциплины "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов";

- спецкурс «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам диссертации включен в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления, согласно распоряжению главы администрации Астраханской области № 914-р от 16.06.95 года.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского инженерно-строительного института, Астраханского государственного технического университета, Региональных, Всероссийских и Международных семинарах, конференциях и симпозиумах: Региональной научно-технической конференции (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Международной научно-практической конференции

Энергосбережение, экономика, экология" (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Областной научно-практической конференции «Астрахань вчера, сегодня и завтра» (Астрахань, 1997), Областной научно-практической конференции «Энергосбережение -2000» (Астрахань, 1999), Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России на пороге 21-ого столетия» (С.-Петербург, 1999), I и II Международных научно-практических конференциях «Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 1999, 2000), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999, 2000), Международной научно-практической конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблема управления рисками на пороге нового тысячелетия» (С.-Петербург, 2000), II, III и IV Всероссийских научных молодежных школах «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2000, 2001, 2003), Международной выставке-семинаре «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2001), Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетии» (Сочи, 2001), Всероссийском семинаре «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» (Астрахань, 2001), I Международном конгрессе "Энергоэффективная техника и технология" (С.-Петербург, 2002), Международной научно-практической конференции "Геополитика и прикаспийский регион: взгляд в XXI век" (Астрахань, 2002), Международной научно-технической конференции "Новые эффективные технологии в строительстве" (С.-Петербург, 2004), XIV Ежегодном Международном конгрессе "Новые высокие технологии газовой, нефтяой промышленности, энергетики и связи" (Астрахань, 2004).

Работа выполнена в рамках приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН, включена в план НИР Отдела энергетики Поволжья Саратовского научного центра РАН (тема 2.1.4), в план Института энергетики АГТУ и в Государственную научно-техническую программу "Энергоэффективная экономика".

Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Астраханского инженерно-строительного института (кафедра теплогазоснабжения и вентиляции), Астраханского научного центра Жилищно-коммунальной академии, Астраханского научного центра Академии технологических наук РФ и Астраханского научного центра Муниципальной академии. Результаты работы включены в региональную Программу энергосбережения Астраханской области на период 20012005 гг.

Исследования выполнялась также в рамках Международной программы "Global security and stable development" ("Глобальная безопасность и устойчивое развитие") по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" ("Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии") при поддержке Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепла;

- новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты впервые применен эксергетиче-ский КПД АТК;

- обоснование новых высокоэффективных типов гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплоге-нераторов для прямого преобразования энергии ветра в теплоту, биогазовых установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы и решение теоретических и практических задач по их разработке;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен и сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- методика определения энергетического КПД в зависимости от теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров биореакторов на основе анализа тепловых процессов в биоэнергетических установках;

- методики и алгоритмы расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК;

- схемные решения комбинирования новых типов гелиоустановок, ветротепло-генераторов, биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов;

- концепция поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде пятиступенчатой схемы оптимизации, включающей анализ исходных данных, структурно-морфологическую, энергетическую, термодинамическую и технико-экономическую оптимизацию.

Работу можно квалифицировать, как комплекс научно-обоснованных технических и технологических решений по проблеме совершенствования и комбинирования различных источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах с использованием возобновляемых источников энергии, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической отрасли в сфере автономной энергетики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 7 статей в изданиях по рекомендуемому списку ВАК, 2 монографии, 19 статей в авторитетных научных изданиях, 4 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы: введение, 8 глав, заключение, список литературы из 360 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 308 страниц, включая 29 таблиц и 78 рисунков.

Автор приносит благодарность заведующему кафедрой теплоэнергетики Астраханского государственного технического университета, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ А. К. Ильину за формирование общего мировоззрения на проблемы использования возобновляемых источников энергии и их комбинирования с другими источниками энергии в автономных теплоэнергетических комплексах, коллективам кафедры теплогазоснаб-жения и вентиляции и кафедры теплоэнергетики за помощь в проведении экспериментов, за замечания и советы при обсуждении диссертации на научных семинарах и конференциях.

Автор выражает признательность Фонду Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Иллинойс, Чикаго), при поддержке которого в рамках Программы по глобальной безопасности и устойчивому развитию был реализован индивидуальный исследовательский проект "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии", послуживший импульсом к созданию методов энергетической и экологической оптимизации АТК.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Шишкин, Николай Дмитриевич

6. Основные результаты исследований и разработок автора, опубликованные в монографии автора [228], использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов [12, 13, 91]. В автореферате докторской диссертации Амерханова P.A.

14] отмечается значительный вклад автора в совершенствование методов оценки систем, использующих возобновляемые источники энергии.

7. По материалам диссертации и монографий автора [8, 90, 228] подготовлены и читаются несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в теплогенерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Тепло-газоснабжение и вентиляция" в Астраханском инженерно-строительном институте, спецкурсов "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов" в Астраханском государственном техническом университете и в ряде других вузов РФ (Ростовский государственный строительный университет, Кубанский государственный аграрный университет и др.).

8. В рамках сквозного проектирования систем теплогазоснабжения и вентиляции [238] по материалам монографии [228], обобщающей основные результаты диссертации под руководством автора студентами Астраханского инженерно-строительного университета разработаны десятки дипломных проектов систем теплогазоснабжения и АТК с применением ВИЭ, рекомендованных к внедрению Государственной аттестационной комиссией по специальности 2907 "Теплогазоснабжение и вентиляция".

9. Основные положения разработанной автором диссертации теории энергетически и экологически оптимального комбинирования трансформаторов энергии в АТК вошли в отчеты по индивидуальному исследовательскому проекту "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии" по гранту Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.) в рамках Международной программы "Глобальная безопасность и устойчивое развитие".

1. Рассмотрены схемные решения комбинирования новых более эффективных типов трансформаторов ВИЭ (ГГТМГ, МВТГ, ВЛНА и др.) и аккумуляторов на основе ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами. Разработаны варианты конструкции ГГТМГ, агрегированными с различными типами тепловых аккумуляторов, с индивидуальными теплогенераторами, котельными и ВЭУ, используемыми в качестве дополнительного источника энергии. Предложены варианты применения МВТГ совместно с ГГТМГ, теплонасосной установкой и утилизатором тепла сточных вод, позволяющие полностью удовлетворить потребности в тепловой энергии без применения ТЭР. Разработаны оригинальные варианты использования ВИЭ для подогрева биомассы в реакторе БЭУ с помощью гелиоустановок, ВЭУ и тепловых насосов с приводом от ВЭУ, применение которых позволяет увеличить выход товарного биогаза в 1,3-2,5 раза.

2. Предложен метод поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК с комбинированием трансформаторов и аккумуляторов энергии в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов и 17 стадий. На первом этапе выполняется анализ исходных данных, далее следуют этапы структурной, энергетической и термодинамической оптимизации. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом этапе производится селекция наиболее эффективных со структурной, энергетической, экологической и термодинамической точек зрения вариантов АТК, на порядок, сокращающая количество рассматриваемых в последующем вариантов. На завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких (3-5) вариантов выбирается оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым затратам в АТК.

3. Предложенные автором высокоэффективньЬ трансформаторы ВИЭ, тепловые аккумуляторы и АТК на их основе защищены патентами, апробированы в лабораторных и производственных условиях. Разработана техническая документация, в том числе и в форме технических предложений и проектов по автономному теплоснабжению жилых зданий, домов усадебного типа и фермерских хозяйств.

4. Практическое использование разработанных автором теплотехнических основ совершенствования и комбинирования различных источников энергии в АТК с использованием ВИЭ, результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработанных методик и алгоритмов заключается в следующем:

- разработана техническая документация на ряд трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК с ВИЭ, в том числе и в форме дипломных проектов принятых и рекомендованных для внедрения и информационных листков;

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;

- система автономного инженерного обеспечения фермерских хозяйств с использованием ВИЭ рассмотрена и одобрена Ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов и рекомендована к внедрению в фермерских хозяйствах Астраханской области;

- предложенные автором установки по использованию ВИЭ защищены патентами на изобретения (№ 2124680, № 2228503, № 2229066, № 2230933) и включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 19992005 годах»;

- тема «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам исследований и разработок автора включена в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления;

- результаты исследований и разработок автора, опубликованные в монографии автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;

- по материалам диссертации и монографии подготовлены и читаются несколько спецкурсов для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" в Астраханском инженерно-строительном институте и студентов специальностей "Промышленная теплоэнергетика" и "Рациональное использование водных ресурсов" в Астраханском государственном техническом университете;

- основные положения разработанной автором теории энергетически и экологически оптимального комбинирования трансформаторов энергии в АТК вошли в отчеты по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" по гранту Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.) в рамках Международной программы "Глобальная безопасность и устойчивое развитие".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулирована оригинальная проблема оптимизации автономного теплоэнергетического комплекса (АТК) с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для любого конкретного потребителя и необходимые для ее решения приоритетные задачи совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, разработки методологии оценки их эффективности, а также оптимального комбинирования различных источников тепла в АТК. Более конкретно задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК на их основе сформулированы в главе 1.

2. Теоретически и экспериментально исследованы особенности теплообмена в элементах многоступенчатых коллекторов солнечной энергии и в механических теплогенераторах с приводом от ветродвигателей при прямом превращении механической энергии в теплоту. Выполнен анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках и впервые получена формула для определения их энергетического КПД в зависимости от их теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров.

3. Получены критериальные уравнения для расчета основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения высокотеплопроводных инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен, многократно повышая плотность теплового потока и сокращая время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода.

4. Созданы специальные методики и алгоритмы расчетов оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК. Выполнена оптимизация тепловых параметров биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов.

5. Разработана методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и получены формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, и коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепловой энергии.

6. Разработаны новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии. В качестве единого критерия термодинамической эффективности комбинирования источников теплоты применен эксергетический КПД АТК. Показано, что термодинамически наиболее эффективными представляются варианты АТК с ВИЭ, имеющие этот коэффициент в 2-4 раз больше, чем в АТК с ТЭР.

7. Впервые получены формулы для оценки технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК на их основе в зависимости от их тепловых, конструктивных и эксплуатационных характеристик. Расчеты по этим формулам показывают существенное снижение себестоимости получения тепловой энергии с помощью предложенных автором оригинальных типов гелиоустановок, ветротеплогенераторов и биоэнергетических установок.

8. Предложен метод поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде алгоритма, состоящего из 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурная, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом из этапов производится селекция наиболее эффективных, сокращающая количество рассматриваемых в последующем вариантов, причем на завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких наиболее термодинамически эффективных вариантов выбирается оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым приведенным затратам.

9. Полученные результаты обеспечивают совершенствование и комбинирование различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации: оригинальных технических решений в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЭ; новых методик теплотехнического расчета параметров трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ; схемных решений и практических рекомендаций для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Это повысит эффективность АТК с ВИЭ и улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.

10. Более конкретные выводы по результатам исследований и разработок в рамках сформулированной проблемы приведены в конце глав 2, 3, 5, 6 и 7, а рекомендации по их практическому применению даны в главах 4 и 8.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Шишкин, Николай Дмитриевич, 2004 год

1. Абрамовский Е.Р., Городько C.B., Свиридов Н.В. Аэродинамика ветродвигателей Днепропетровск: Изд-во ДГУ. 1987. 220 с.

2. Аксенов Ю.И., Мурзин С.И. Биоэнергетические установки: Экономический и экологический эффект. / Мелиор. и вод. хоз-во, 1995. № 1. С. 31-32.

3. Активные системы преобразования солнечной энергии / Использование солнечной энергии в народном хозяйстве: ОИ / ВНИИТАГ. М.: 1989. № 1. С. 4-29.

4. Акуленко Н.В. Технологии использования биомассы. / Энергия будущего века, 1996. №З.С. 6-7.

5. Алхасов А.Б. Экономическое прогнозирование некоторых тенденций развития геотермального производства / Альтернативы развития природоэксплуатирующих отраслей. М.: ВНИИСИ. 1988. № 12. С. 88-92.

6. Амерханов P.A., Бессараб A.C., Драганов Б.Х. и др. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Под ред. Б.Х. Драганова. М.: Колос-Пресс, 2002. 423 с.

7. Амерханов P.A. Вопросы оптимизации технических систем // Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. 2002. № 2. С. 77-79.

8. Амерханов P.A. К вопросу об эксергоэкономическом анализе и оптимизации технических систем //Безопасность, экология, энергосбережение: Материалы науч.-техн. семинара (Гизель-Дере, 2001), Ростов-н/Д. 2001. Вып.З. С. 102-108.

9. Амерханов P.A. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. М.: КолосС, 2003. 532 с.

10. Амерханов P.A., Драганов Б.Х. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства / Под ред Б.Х. Драганова. Краснодар: Изд-во КубГАУ. 2001. 199 с.

11. Амерханов P.A. Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных установок на основе возобновляемых источников энергии: Автореф. дис. .док-ра техн. наук. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. 40 с.

12. Андрющенко А.И. Методика расчета эксергетической эффективности технологических процессоа и производств. Саратов: СПИ, 1989. 36 с.

13. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1985. 320 с.

14. Андрющенко А.И. Проблемы развития энергетики России / Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения. Саратов: СГТУ, 1999. С. 3-6.

15. Андрющенко А.И. Термодинамические расчеты оптимальных параметров тепловых электростанций. М.: Высш. шк., 1963. 228 с.

16. Артамонов A.C. Ветроэлектростанции и ветротепловые установки. Астрахань: НПО Каспий. 1997. Юс.

17. Атдаев Д.И., Ильин А.К. Эксергетический анализ схем геотермального теплоснабжения / "Инновации в науке и обраховании". Материалы Росс. конф. Калининград: КГТУ, 2003. С. 28-31.

18. Байрамов Р.Б., Ушакова А.Д. Солнечные водонагревательные установки. Ашхабад: Ылым, 1987. 168 с.

19. Баранников Н.М., Аронов Е.В. Расчет установок и теплообменников для утилизации вторичных энергетических ресурсов. Красноярск: Изд-во КГТУ, 1992. 362 с.

20. Безруких П.П., Безруких П.П. Состояние и тенденции развития ветроэнергетики мира // Электрические станции, 1998, № 10. С. 58-64.

21. Безруких П.П., Стребков Д.С. Проблемы рынка малой энергетики //Тезисы докл. Межд. науч.-прак. конф. Малая энергетика-2002,2002-. С. 110-112.

22. Бекман У., Клейн С., Даффи Д. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергия. 1982. 128 с.

23. Беляев Л.С., Филиппов С.П. Изучение долгосрочных тенденций в развитии мировой энергетики // Изв. РАН. Энергетика. 1996. № 3. С. 10-21.

24. Бирюлин И.Б., Гостюнин Ю.В., Шишкин Н.Д. Теплогенератор гидравлический. Описание изобретения к патенту РФ. М.: РАПТЗ. 2004. 8 с.

25. Богословский В.Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии //АВОК. 1998. №3. С. 34-41.

26. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1982. 192 с.

27. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / Пер. с англ. М.Ф. Пуш-карева; Под ред. Е.А. Бирюковой. М.: Агропромиздат, 1987. 152 с.

28. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1982. 192 с.

29. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль. Пер. с англ./ Под ред. А.Ф. Туболкина. Л.: Химия, 1989. 288 с.

30. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973.296 с.

31. Бродянский В.М., Фраштер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

32. Бродянский В.М., Сорин М.В. Принципы определения КПД технических систем преобразования энергии и вещества // Изв. Вузов. Энергетика. 1985. № 1. С. 60-65.

33. Булгаков С.Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии. АВОК, 1999, № 2. С. 6 9.

34. Бутузов В.А. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае // ЦЭНЭФ. Энергетическая эффективность, 2002, № 34. С. 54-61.

35. Бутузов В.А. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок . горячего водоснабжения // Промышленная энергетика, 2001, № 10. С. 54-61.

36. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: Мысль, 1977. 328 с.

37. Быстров В. П., Ливчак А. В. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода // Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения. Сб. науч. трудов. М.: Изд. ЦНИИЭПИО, 1984. С.75-90.

38. Варварский B.C., Жуков М.А., Красовская Б.М. Упрощенная методика технико-экономического расчета обоснованности мероприятий по энергосбережению в рыночных условиях // Промышленная энергетика. 1995. № 2. С. 2-3.

39. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. 343 с.

40. Вашкевич К.П., Самсонов В.В. Численные методы расчета на ЭВМ аэродинамических характеристик ветроколес вертикально-осевого типа // Тез. докл. 2-й Всесоюз. конф. «Возобновляемые источники энергии», Ереван, Изд. ЕГУ. 1987. Т. 2. С. 157.

41. Ветровые электростанции большой мощности. Обзорная информация. М.: Информ-энерго, 1987. 56 с.

42. Ветроэнергетика. Пер. с англ. / Под ред. Д. Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982. 278 с. Ветроэнергетические станции / В. Н. Андриянов, К. П. Вашкевич и др. М.: Госэнерго-издат, 1960. 294 с.

43. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление / В. Н. Богослов ский, Б.А. Крупнов, А.И. Сканави и др.; Под ред. И.Г. Староверова и Ю. И. Шиллера.-М.: Стройиздат, 1990. 344 с.

44. Волков A.B., Ильин А.К. Теплогенератор для ветроэнергетических установок // Рабочие процессы в теплоэнергетических установках. Владивосток: ДВО РАН, 1993. С. 35-39.48,49