Повышение эффективности систем солнечного теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Бутузов, Виталий Витальевич

• Бутузов, Виталий Витальевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Бутузов, Виталий Витальевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение

Глава 1. Состояние и тенденции развития систем

теплоснабжения на основе солнечной энергии

1.1 Основные характеристики баз данных солнечной радиации

1.2 Оборудование солнечных систем теплоснабжения

1.3 Разработка систем солнечного теплоснабжения

1.4 Выводы по первой главе и задачи исследований

Глава 2. Расчетные значения интенсивности солнечной радиации

2.1 Определение достоверных значений интенсивности солнечной радиации

2.2 Расчетные значения солнечной радиации

Краснодарского края

2.3 Характеристики солнечной радиации Якутии

2.4 Выводы по второй главе

Глава 3. Методика компоновки солнечных коллекторов и особенности расчета их дублеров

3.1 Методика определения компоновочных решений солнечных коллекторов

3.2 Определение мощности дублеров гелиоустановок

3.3 Выводы по третьей главе

Глава 4. Особенности проектирования систем солнечного теплоснабжения

4.1 Экономическая целесообразность сооружения гелиоустановок

4.2 Гелиоустановки большой производительности

4.3 Солнечно-топливные котельные малой мощности

4.4 Солнечно-топливная котельная одноконтурная

4.5 Солнечно-топливная котельная двухконтурная

4.6 Выводы по четвертой главе

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности систем солнечного теплоснабжения»

ВВЕДЕНИЕ

Ограниченность запасов органического топлива диктуют необходимость использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь, для теплоснабжения. Европейский Союз планирует к 2020 году увеличить долю ВИЭ в своем энергобалансе до 20%. Руководством России также принимаются меры по развитию энергоисточников на основе ВИЭ. Указом президента РФ № 889 от 04.06.2008г «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики», постановлением правительства РФ №426 от 03.06.2008г «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе ВИЭ», распоряжением правительства РФ №1-Р от 08.01.2009г утверждены основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности на основе ВИЭ на период до 2020 года. Из всех видов ВИЭ в системах теплоснабжения наиболее широко применяется солнечная энергия. В мире эксплуатируется более 380 млн. м (100%) гелиоустановок, в том числе доля России меньше чем 0,01%). При этом условия солнечной радиации нашей страны позволяют на несколько порядков увеличить площадь таких гелиоустановок.

В России научные исследования в области солнечного теплоснабжения ведут Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства, ЭНИН им. Кржижановского, Московский энергетический институт (ТУ), МГУ им. Ломоносова, ИВТАН и другие. Большой вклад в этой области внесли ведущие российские ученые: Безруких П.П., Бутузов В.А., Виссарионов В.И., Стребков Д:С., Попель О.С., Харченко В.В. и другие.

В России строительство солнечных систем теплоснабжения наибольшими темпами ведется в Краснодарском крае, где сооружены гелиоустановки общей площадью 7000 м [1]. Для проектирования эффективных гелиоустановок принципиальное значение имеют достоверные значения солнечной радиации, однако существующие российские базы

4

данных не в полной мере охватывает все регионы России, требуют уточнения и дополнений. Действующие в России нормативные документы по проектированию гелиоустановок устарели и требуют существенной доработки. Необходима разработка методики обоснования экономической целесообразности сооружения гелиоустановок, принципов их проектирования.

Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена необходимостью сооружения конкурентоспособных систем солнечного теплоснабжения, в первую очередь для объектов агропромышленного комплекса страны.

Целью работы является разработка рекомендаций для проектирования систем солнечного теплоснабжения, основанных на принципах эффективной компоновки солнечных коллекторов на ограниченной территории с получением максимальной выработки тепла, минимизации установленной мощности дублирующих источников тепла, с целью повышения их эффективности и обеспечения конкурентоспособности с традиционными источниками теплоснабжения, использующими органическое топливо.

Задачи исследования:

- разработать методику компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, позволяющую сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при обеспечении максимальной выработки тепла и, как следствие сократить капитальные затраты при строительстве солнечной системы теплоснабжения (стоимость земельного участка, трубопроводов и т.д.);

- разработать методику определения минимальной тепловой мощности дублеров гелиоустановок, позволяющую сократить затраты на сооружение традиционного дублирующего источника теплоснабжения;

- разработать методику определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ, позволяющую произвести экспресс оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

Научная новизна: на основании проведенных исследований вариантов компоновки коллекторного поля с графическим моделированием процесса их затенения, впервые разработана и внедрена методика компоновки солнечных коллекторов гелиоустановок в условиях ограниченной площади, которая позволяет сократить площадь участка для размещения солнечных коллекторов при получении максимальной выработки тепла;

- в результате анализа работы тепловых дублеров гелиоустановок и сопоставления процесса их работы с интенсивностью суммарной солнечной радиации в месте дислокации системы солнечного теплоснабжения, предложена методика определения минимальной мощности тепловых дублеров гелиоустановок, позволяющая на стадии проектирования уменьшить установленную мощность дублирующего источника тепла и, соответственно, капитальные затраты при строительстве солнечных систем теплоснабжения;

- на основании исследования 120 построенных в Краснодарском крае гелиоустановок разработана методика определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения на стадии предпроектных работ;

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методики и технические решения повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения позволили:

- определить для Краснодарского края достоверные значения интенсивности суммарной солнечной радиации для 18 городов, на основании

которых выполнена графическая интерпретация солнечной радиации региона;

- выполнить для Якутии районирование по значениям интенсивности суммарной солнечной радиации с выделением пунктов-представителей и определением для .них достоверных её значений;

- предложить и внедрить методы расчетов и рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения: гелиоустановок большой мощности, солнечно-топливных котельных малой мощности, одно-и двухконтурных;

разработать и построить типовые системы солнечного теплоснабжения: одной из самых больших в России гелиоустановки площадью 600 м , четырех автоматизированных солнечно-топливных котельных малой мощности с электрокотлами-дуб л ерами; одноконтурной солнечно-топливной котельной для южных регионов, автоматизированной двухконтурной солнечно-топливной котельной для северных регионов.

Достоверность результатов теоретических исследований, выводов и рекомендаций подтверждена совпадением расчетов с данными испытаний гелиоустановок, положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения.

Положения, выносимые на защиту:

использование принципа компоновки солнечных коллекторов гелиоустановки в условиях ограниченной площади гелиополя, допускающего обоснованную долю затенения, позволяет сократить площадь участка, отводимого под размещение коллекторного поля, при сохранении максимальной годовой выработки тепла;

- при определении тепловой мощности резервных источников тепла (тепловых дублеров) в процессе проектирования гелиоустановок следует

учитывать минимальную мощность системы солнечного теплоснабжения, определяемую рассеянной солнечной радиацией в месте расположения системы с учетом отклонений расчетных значений от справочных для данного региона;

- метод определения экономической окупаемости солнечных систем теплоснабжения показывает её зависимость от основных факторов: удельной стоимости гелиоустановки, суммарной интенсивности солнечной радиации в плоскости коллекторов в течение года, КПД солнечных коллекторов, стоимости замещаемой тепловой энергии на стадии предпроектных работ и позволяет произвести экспресс-оценку целесообразности сооружения гелиоустановок на этапе принятия решения о внедрении.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Основные характеристики баз данных солнечной радиации.

Для расчета гелиоустановок используют следующие характеристики солнечной радиации: интенсивность суммарной, прямой и рассеянной радиации. В практике проектирования применяют данные климатологических справочников, результаты многолетних наблюдений и компьютерные базы данных. Климатологические справочники [2, 3] содержат информацию по часовым, месячным и годовым значениям прямой, рассеянной, суммарной солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния для всех регионов России со сроком наблюдения от 5 до 30 лет. Достоинством данных справочников являются большие сроки наблюдения и достоверность измерений наземных станций. Недостатками их являются трудность использования (табличная форма представления на бумажных носителях), необходимость дополнения информацией с 1990 года и малое число пунктов наблюдения. Для

-у

южного региона - Краснодарского края, площадью 76 тыс. км в Справочнике [3] данные солнечной радиации имеются только для двух городов (Краснодар, Сочи), а для северного региона - Якутии, площадью более, чем в сорок раз большей - 3083,523 тыс. км аналогичные данные имеются также для двух населенных пунктов (Якутск, Оленек). Условия применимости результатов справочников [2, 3] по горизонтам (удалении) и вертикали (превышением над уровнем моря) не позволяют получать достоверные значения интенсивности солнечной радиации для большей части регионов.

При отсутствии необходимых данных по интенсивности солнечной радиации в Справочниках [2, 3], а также для их уточнения применяются методы обработки массивов многолетних наблюдений [4-^8]. Так, для Краснодара такие исследования были выполнены за 10 и за 14 лет. При этом установлено, что при продолжительности наблюдения до 10 лет следует применять дифференциальную функцию распределения вероятности, а при большей продолжительности измерений достаточно вычислять среднеарифметические

значения. В указанных работах получены результаты обработки многолетних данных для г. Геленджика, отсутствующие в справочниках [2, 3]. Среди специалистов по климатологии нет единого мнения о сроке наблюдений с достаточной степенью обеспеченности [9, 10]. Для многих населенных пунктов данные солнечной радиации в справочниках отсутствуют и возникает необходимость интерполировать их значения. Измерения значений солнечной радиации и обработка их производится по специальным методикам [9-^15].

Результаты солнечной радиации могут быть представлены различными способами. М.Д.Рабиновичем в статье [12] приведен анализ этих способов, в результате которого сделан вывод о том, что наиболее полную информацию обеспечивает «типичный год». Типичный год включает в себя ежечасовую информацию о температуре воздуха, его влажности, скорости, направления ветра. Результаты исследований О.С.Попеля [16] подтвердили данное утверждение. Остальные способы представления результатов измерений солнечной радиации (средние сутки, среднемесячные значения, среднесуточные значения) на 10-15% менее точны. В работах [14, 15] утверждается, что при определении показателей с точностью до 10% наиболее целесообразно использовать усредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. При этом, эффективность работы гелиоустановок не зависит от распределения радиации в течение дня, важна ее общая сумма. Исследования в области определения характеристик солнечного излучения занимается также коллектив под руководством д.т.н., профессора Елистратова В.В. (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет). Авторы работ [44; 47] не используют понятие «типичный год» и указывают на целесообразность использования корректирующих коэффициентов в математическую модель определения прихода солнечной радиации по данным фактических наблюдений, учитывающих реальные условия облачности. Предложенные методики позволяют получить часовые данные по поступлению солнечного излучения в реальных условиях облачности.

Компьютерные базы данных [17] имеют удобную для использования форму представления информации. Они в основе своей имеют главным образом результаты спутниковых измерений со сроком обработки данных от 1 до 30 лет

и представлены следующими характеристиками интенсивности солнечной радиации: получасовые, часовые, месячные, годовые значения. В Европейском атласе солнечной радиации (E.S.R.A) [17] количество пунктов наблюдений составляет 586. В базе данных S@tel-ligh на основе спутниковых измерений представлены данные солнечной радиации для 250 тыс. пунктов наблюдений. Широкое применение получила база данных швейцарской организации Meteonorm (METEONORM 4.0) для 2400 пунктов наблюдений. В работе [18] выполнено сравнение базы данных METEONORM для России со справочником по климату [3]. Установлено расхождение суточных значений суммарной солнечной радиации летом - 5%, зимой - 10^-15%. В настоящее время в мире наиболее полным детализированным массивом данных по солнечной радиации обладает база данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE), основанная на непрерывном и последовательном ряде спутниковых измерений радиационного баланса земных ячеек с размерами 280x280 км с июля 1983г [19]. В работе [20] выполнено сравнение базы данных NASA SSE с данными наземных станций России, в том числе Южного Федерального округа. Получено удовлетворительное совпадение значений суммарной солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность по наземным и спутниковым измерениям. В работе [8] отмечается, что недостатками всех компьютерных баз являются: отсутствие исчерпывающих комментариев по их применению, малое число российских пунктов наблюдений, недостаточность значений интенсивности солнечной радиации для населенных пунктов с малыми сроками наблюдений.

Таким образом, каждый из вышеперечисленных способов представления данных интенсивности солнечной радиации имеет свои достоинства и недостатки. Их применение на территории России, различающимися как по значениям интенсивности солнечной радиации, так и по числу наземных станций наблюдений, полноты их рядов измерений, требует определения алгоритма их применимости для условий конкретного региона и на его основе получения достоверных значений для проектирования систем солнечного теплоснабжения.

1.2 Оборудование солнечных систем теплоснабжения.

Солнечные системы теплоснабжения состоят из солнечных коллекторов, насосов, баков-аккумуляторов, теплообменников, дублеров для пикового догрева. Основным видом их оборудования являются солнечные коллекторы (СЮ - устройства для поглощения солнечного излучения и преобразования в тепловую энергию. В системах солнечного теплоснабжения в основном применяются плоские и вакуумные трубчатые солнечные коллекторы. Плоский СК состоит из прозрачной изоляции, поглощающей панели (абсорбера), теплоизолированного корпуса. Поток солнечного излучения проходит через прозрачную изоляцию и поглощается абсорбером. При этом часть излучения отражается от поверхности прозрачной изоляции, часть поглощается её материалом, которая затем передается окружающему воздуху.

В работах [21, 22] выполнен анализ 184 конструкций плоских СК ведущих мировых производителей, на основании которого в работах [23-26] с участием автора определены основные конструктивные и технологические решения по каждому элементу конструкции. На рисунке 1.1 представлены конструктивные и технологические решения абсорберов СК.

По применяемым материалам в связи с подорожанием меди большинство абсорберов (54%) выполняется из алюминия (медные трубки и алюминиевый лист, алюминиевые трубки и лист). При изготовлении абсорберов преимущественно применяется цельный лист (73%). Использование алюминиевых листов определяет и их толщины - 0,4 мм (31%). Большинство абсорберов (70%) имеют высокоселективное РУЭ покрытие. Применяются две основные технологии соединения трубок и листов: лазерная сварка (43%) и ультразвуковая сварка (35%). По гидравлической схеме преобладает регистровая (59%), что определяется тенденцией увеличения площади гелиоустановок. На рисунке 1.2 приведены диаграммы по конструктивным и технологическим решениям корпусов СК.

Материалы Конструкция Толщина

Чф<мц»аи 19*

ВИСОКОС«*«' пвмжРГО

(МММ*

(Ъ*и<*«и» Л

Покрытие

Ламтнм (мри «1»

(Х»«Тр с дргмкной Двойной (рубкой регистр 14 4%

Полмопо «очный 4

2% коллектором 4%

Технология изготовления

Гидравлически схема

Рисунок 1.1 Конструктивные и технологические решения абсорберов.

Штатом (боримйт

тяисм Сг**»0 пя«паи<

>*|* с««и мтм )тм«м<

<осыр*н штампом 1« тт мымиут««* И1 плхтми »тошм

т«

4«

1«

Алюминий 82%

Конструкция

Материалы рам

1Л*

Гмнди Шуру«' ОЛК 6.04

Соединение рам

П«*тж д

А1/0

Крепление Материал задней

задней стенки стенки

Рисунок 1.2 Конструктивные и технологические решения корпусов.

V* сы*м Гт» м*

ад*

И^Л и обпм

юл*

муруг*

м*

1т

Конструкция корпуса выполняется в большинстве своем на основе алюминиевых профилей и листа, соответственно применяемый материал -алюминий (82%). Для соединения рам используются технологии заклепок (27%), запрессовки (22%), сварки (20%). Крепление задней стенки корпуса выполняется в основном клеевым (32%) и заклепочным (24%). Материал задней стенки преимущественно - алюминий (57%) и сталь (24%). На рисунке 1.3 приведены конструктивные решения теплоизоляции и прозрачной изоляции плоских СК.

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ

ПРОЗРАЧНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Стеклован 12*

6мм Змм 1* 4*

Мин. Вт 63*

Рисунок 1.3 Конструктивные решения теплоизоляции корпуса и прозрачной

изоляции.

В качестве теплоизоляции применяются: минеральная вата (63%), пенополиуретан (19%), стекловата (12%). Толщина прозрачной изоляции (в основном стекла) составляет 3,2 и 4 мм.

В России в настоящее время выпускаются плоские СК только НПО «Машиностроения» (г. Реутово, Московская обл.) [27], со следующими характеристиками: габаритная площадь - 2м , длина и ширина: 2007x1007 мм;

'у

удельная масса - 27 кг/м"; материал поглощающей панели - алюминий АД-31; рабочее давление - 1,0 МПа.

Вакуумные трубчатые солнечные коллекторы (ВТСК) имеют на 10-И 5% выше КПД, чем у плоских СК при существенно большей (в 1,5-2 раза) стоимости. Известны [28+-35] несколько конструкций ВТСК: стеклянная колба с

нагревом теплоносителя непосредственно в ней; стеклянная колба с металлическим абсорбером с нагревом теплоносителя в И-образных трубках; стеклянная колба с металлическим абсорбером с нагревом теплоносителя в коаксиальных трубках. Диаметр вакуумных труб от 47 до 120 мм, длина от 1500 до 2950 мм. Толщина стенки боросиликатного стекла от 1,5 до 2,8 мм. Материалы абсорберов: медь, алюминий. Селективные покрытия абсорберов: алюминий-никель, Бише^с^ В1ие1ес, Ттох. Для изготовления рефлекторов применяют алюминий и нержавеющую сталь. Корпуса ВТСК выполняют из алюминия, нержавеющей стали со специальными покрытиями. Предельная расчетная температура теплоносителя в ВТСК - до 290 °С.

Анализ публикаций [36-К38] показал отсутствие рекомендаций о предпочтительности конструкций СК: плоских или трубчатых вакуумных при проектировании гелиоустановок. Установлено, что более высокие температуры теплоносителя позволяют применять ВТСК при создании систем солнечного отопления. Из рисунка 1.4 следует, что в условиях солнечной радиации, соответствующих 45° широты (Бавария, Германия; Краснодарский край, Россия) в течении отопительного периода гелиоустановка с ВТСК производит тепловой энергии меньше, чем с плоскими. Это объясняется наличием инея и снега на колбах ВТСК в зимнее время [39]. При более высоких, чем в плоских СК температурах нагрева ВТСК для предотвращения перегрева и разрушения применяются специальные чиллеры аварийного расхолаживания.

С учетом изложенного, для решения вопроса о предпочтительной конструкции СК при проектировании гелиоустановки необходима методика определения экономической окупаемости. При этом, основными факторами являются эффективность (КПД) и стоимость солнечных коллекторов.

2.100 +

I 75 +

а.

| 50-"

х

I

§ 25 о

О

нсогяция на плоскости коллектора

Производительность Плоского коллектора (апертурная площадь)

■ Производительность Вадомно го коллектора (апертурная площадь)

□Производительность Плоского коллектора (общая площадь) Производительность Ваадумного коллектора (общая площадь)

> Температура наружного воздуха

Производительность Плоского коллектора выше чем Вакуумного грУ>чатого с пересчете на общую площадь, температура наружного воздуха понижалась

о Я

ю 2

15 8-

о

Октябрь 2004 Ноябрь Декабрь Январь 2005 Февраль Март

Рисунок 1.4 Графики производительности плоских и вакуумных трубчатых

солнечных коллекторов.

Эффективность работы СК определяется помимо их КПД также компоновкой: ориентацией, углом наклона, затенением рядов коллекторов. В работе [44] авторами глубоко проработан вопрос оценки влияния затенения на характеристики солнечного излучения и выработку фотоэлектрических установок. При этом представленные зависимости позволяют провести оценку компоновочных решений полей фотоэлектрических преобразователей при многорядной компоновке в вариантах размещения параллельными рядами и в шахматном порядке, как в азимутальной плоскости, так и в зенитальной с определением электрической мощности, вырабатываемой частично затененной солнечной установкой. Представленные авторами работ [44, 47] выражения, позволяют корректно оценивать энергию, вырабатываемую частично затененными солнечными установками.

Нормы проектирования солнечных тепловых установок [40] рекомендуют южную ориентацию СК с возможным отклонением на восток до 20°, на запад -до 15°. Угол наклона СК к горизонту [40] рекомендуется принимать для

круглогодичных установок равным широте местности, сезонных гелиоустановок - равным широте местности минус 15°. В работе [8] на основании исследований применительно к условиям Краснодарского края установлено, что годовое значение интенсивности солнечной радиации при угле наклона 30° превышает аналогичную величину при угле 45°, что отличается от рекомендаций [40]. Расстояние между рядами СК определяется из условий затенения. Оно рекомендовано нормами [40] равным 1,7 высоты ряда СК при круглогодичной эксплуатации или 1,2 высоты ряда СК при сезонном режиме работы. По германским методикам [41] для круглогодичных гелиоустановок расстояние между рядами СК определяется из условия полного незатенения при минимальном угле склонения солнца - 22 декабря. В то же время в практике проектирования гелиоустановок имеются как ограничения по площади гелиополя, так и задача минимизации стоимости (земельного участка, сокращение стоимости обвязки трубопроводами и т.п.). В существующих методиках [42^-44] отсутствуют данные решения. В этих условиях имеется потребность разработки методики определения компоновки СК для минимизации площади гелиополя с допустимыми по экономическим соображениям затенением рядов коллекторов с целью получения максимальной выработки тепла.

Одним из компонентов солнечной системы теплоснабжения является дублер, задачей которого является обеспечение расчетной потребности в тепловой энергии при продолжительной пасмурной погоде. В практике проектирования установленную мощность дублеров принимают равным расчетному теплопотреблению объектов [45, 46]. Применение самодренируемых установок и гелиоустановок с естественной циркуляцией [47-И9] не дает решения. Для снижения стоимости гелиоустановок и их эксплуатационных расходов необходимо оптимизировать мощность дублеров с учетом особенностей поступления солнечной радиации, например, рассеянной.

1.3 Разработка систем солнечного теплоснабжения.

Перед проектированием систем солнечного теплоснабжения необходимо определить срок ее экономической окупаемости. В работах [5(К53] срок окупаемости гелиоустановок предложено вычислять по приведенным затратам, экономический смысл которых в настоящее время несостоятелен. Согласно рекомендациям института ЦНИИЭП инженерного оборудования [52] в расчетах учитывается в том числе снижение загрязнения окружающей среды при использовании ВИЭ, что весьма проблематично. В статьях [54-^56] в формулах расчетов экономической окупаемости приведены значения нормативной окупаемости гелиоустановок, что неприменимо в современных экономических условиях. Нормы проектирования «Установки солнечного горячего водоснабжения» [40] предписывают определять целесообразность сооружения гелиоустановки при превышении значения годового коэффициента полезного действия над комплексным критерием экономической эффективности гелиоустановки, однако при определении последнего также задается нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений. КПД гелиоустановки определяется с учетом оптической характеристики солнечных коллекторов, что практически невозможно на предварительной стадии проектирования установки. Методика М.И.Валова и Б.И.Казанджана [57] предписывает определение экономической целесообразности строительства гелиоустановки с учетом практически необоснованных значений снижения социальных затрат и природоохранных мероприятий.

В работе [8] срок экономической окупаемости гелиоустановок предложено определять по формуле:

Т =

л/

<2'СТ

пС'гСр{12 -^к, +кш +к6 +КПР)

0,278 -Ю-3 77,

Г и^ Кт

т г> т 1 О

где Ту - расчетный срок окупаемости; <2 - расчетное годовое количество выработанной гелиоустановкой тепловой энергии; Ст - стоимость замещаемой

тепловой энергии; п - продолжительность эксплуатации гелиоустановки в течении года; С, - расчетный суточный расход горячей воды потребителем для месяца с минимальным уровнем солнечной радиации; Ср - теплоемкость теплоносителя; - температуры теплоносителя на входе и выходе

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Бутузов, Виталий Витальевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При исследовании вопросов повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения получены следующие результаты:

1. Для южного (Краснодарский край) и северного (Якутия) регионов России получены достоверные значения интенсивности суммарной солнечной радиации для проектирования систем солнечного теплоснабжения.

2. Разработана методика компоновки солнечных коллекторов в условиях ограниченной площади гелиополя. В результате исследований вариантов компоновки солнечных коллекторов в условиях ограниченной площади гелиополя установлено, что расстояние между рядами коллекторов целесообразно определять из условий затенения при допустимом по экономическим соображениям снижении расчетной годовой теплопроизводительности гелиоустановки. Таким образом, удалось достигнуть максимальной тепловой производительности гелиоустановки при минимальной занимаемой площади участка размещения солнечных коллекторов. Разработанная методика внедрена при проектировании одной из самых крупных в России гелиоустановок

••у

в г. Усть-Лабинске, площадью солнечных коллекторов 600 м и позволила снизить её стоимость на 20%.

3. Разработана методика определения минимальной тепловой мощности дублеров гелиоустановок, позволяющая минимизировать установленную тепловую мощность резервного источника теплоснабжения и, как следствие, капитальные затраты на сооружение гелиоустановки. При определении тепловой мощности дублеров гелиоустановок установлено, что следует учитывать минимальную

мощность гелиоустановок, определяемую рассеянной солнечной радиацией с учетом отклонений расчетных значений от справочных для данного региона. Данная методика использована при проектировании четырех солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае, что позволило снизить установленную тепловую мощность их дублеров на 30-54%.

4. На основании исследования 120 солнечных систем теплоснабжения в Краснодарском крае разработана методика оценки экономической окупаемости гелиоустановок, которая позволяет на предпроектной стадии определить результаты реализации проекта, принять решение о целесообразности его внедрения, а также выполнить анализ влияния основных факторов: удельной стоимости гелиоустановки, суммарной интенсивности солнечной радиации в плоскости коллекторов в течение года, КПД солнечных коллекторов, стоимости замещаемой тепловой энергии.

5. С использованием предложенных методик разработана проектная документация типовой солнечно-топливной котельной малой мощности с электрическими котлами в качестве тепловых дублеров, на основании которой построены 4 гелиоустановки котельных в Краснодарском крае, эксплуатационные расходы которых снижены на 12%.

6. С использованием предложенных методик разработан и внедрен проект одноконтурной солнечно-топливной котельной в пос. Солоники (Сочи) Краснодарского края, стоимость реализации которого на 15% меньше аналогов.

7. Выполнены расчеты, разработана документация, осуществлено

строительство, наладочные работы двухконтурной солнечно-

79

топливной котельной в станице Старовеличковской Краснодарского края. Реализация данного проекта с применением предложенных методик позволила удешевить стоимость выработанной тепловой энергии на 25%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бутузов, Виталий Витальевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Амерханов P.A., Бутузов В.А., Гарькавый К.А. Вопросы теории и инновационных решений при использовании гелиоэнергетических систем

- М.: Энергоатомиздат, 2009. - 502 с.

2. Справочник по климату СССР. Часть 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное слияние. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1966. - 82 с.

3. Научно - прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Часть 1. Выпуск 13. Солнечная радиация и солнечное слияние. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 724 с.

4. Бутузов В.А. Расчетные характеристики солнечной инсоляции для условий Краснодарского края / В.А. Бутузов, Ю.М. Проселков, A.M. Тимошенко // Труды КубГТУ, 1999. - т. III. Серия Энергетика. Выпуск 1 -с. 86-90.

5. Бутузов В.А. Учет интенсивности солнечной радиации при проектировании гелиоустановок // Теплоэнергоэффективные технологии.

- 2001. - №3 - с. 24-25.

6. Бутузов В.А. Солнечная радиация. Обработка данных измерений. Получение достоверных значений для проектирования гелиоустановок горячего водоснабжения // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI веке: докл. Международный семинар, Сочи, 31 мая - 2 июня 2001 г. - Сочи. 2001 г. - с. 39 - 46.

7. Бутузов В.А. Солнечная радиация. Обработка данных измерений. Получение достоверных значений для проектирования гелиоустановок // Известия Академии промышленной экологии. - 2002. - №4 - с. 37 - 46.

8. Бутузов В.А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии. Дис. докт. техн. наук: 05.14.08. - М., 1999. - 297 с.

9. Заварина М.В. Строительная климатология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. -

312 с.

Ю.Дроздов O.A. Основы климатической обработки метеорологических наблюдений. Д.: Издательство ЛГУ. 1956. - 300 с.

11 .Пивоварова З.И. Характеристика радиационного режима на территории СССР применительно к запросам строительства. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973.- 128 с.

12.Рабинович М.Д. Сравнение различных методов представления климатической информации при расчете производительности систем // Гелиотехника. - 1986. №3 - с. 75 - 76.

13.Бекман У. Расчет системы солнечного теплоснабжения. / Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. // М.: Энергоиздат, 1982. - 80 с.

14.Валов М.И. Системы солнечного теплоснабжения // М.И. Валов, Б.И. Казанджан. - М.: Издательство М74., 1991. - 140 с.

15.Петухов Б.В. Методы расчета солнечных водонагревателей / Использование солнечной энергии: Сборник трудов АН СССР. - №1 -1957.-е. 177-201.

16.Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева C.B., Терехова E.H. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: Объединенный институт высоких температур РАН. 2010. - 54 с.

17.Volker О. Datenbanken für Solarstralung // Sonne, Wind und Wärme. - 2001. -№8. - s.39 - 41.

18. Вол ков А.Г. Базы данных кафедры НВИЭ МЭИ (ТУ) и METEONORM по солнечной энергетике как источник информации для гелионергетических расчетов //Материалы шестой Всероссийской научной молодежной школы МГУ. Часть 1, 2008, М.: 2008. - с. 84 - 87.

19.The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set // 2007. http:// eosweb.larc.nasa.gov/sse/

20.Кисилева C.B., Попель О.С., Фрид С.Е. О возможности использования дистанционных методов оценки потенциала солнечной и ветровой энергии // Вестник Международной академии наук экологии и

безопасности жизнедеятельности. 2008. Т. 13. №3. с. 134 - 142.

21 .Ерр. В. Flat plate collectors: trends and technology // Sun, Wind Energy. 2008. №6.P 78 - 88.

22.Meyer J. - P. Curend state of technology // Sun, Wind Energy. 2009. №6. P. 61 -70.

23.Бутузов B.B. Солнечные коллекторы / Бутузов B.B., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Академия энергетики. 2010. №3. с. 50 - 56.

24.Бутузов В.В. Солнечные коллекторы. Тенденции совершенствования конструкций / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Шетов В.Х., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2009, №10, с. 41 -51.

25.Бутузов В.В. Экономическая целесообразность разработки новых конструкций солнечных коллекторов / Бутузов В.В., Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Султанов Г.А. // Тр. Куб. гос. Аграрного университета, 2010, №3 - с. 139- 143.

26.Бутузов В.В. Технологии, оборудование и материалы солнечных коллекторов / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2010. №10 - с. 54 - 58.

27.Бутузов В.В. Гелиоустановки Краснодарского края / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Промышленная энергетика. 2011. №7 -с. 45-47.

28.Ерр. В. Vacuum tube industry on an upward trend // Sun, Wind Energy. 2009. №12.P 70-77.

29.Meyer J. - P. Evacuated tubes take center stage // Sun, Wind Energy. 2008. №4.P 58 - 67.

30.Tetziaff S. China catches up on technology // Sun, Wind Energy. 2007. №3.P 51-61.

31 .Meyer J. - P. Vacuum tubes manufacturers. Vacuum tubes by the second // Sun, Wind Energy. 2011. №11 .P 84 - 86.

32.Epp B. - P. Vacuum tubes China. The quality of manufacturing is what counts

most // Sun, Wind Energy. 2011. №8.P 82 - 86.

33.Tetziaff S. - Vacuum tubes. Titanium improves perfomance // Sun, Wind Energy. 2011. №8. P 80-81.

34.Berner J. Tubes - hot or not? // Sun, Wind Energy. 2009. №7. P 42 - 45.

35.Epp B. Tubes - hot or not? Statements! // Sun, Wind Energy. 2009. №7. P 45 -46.

36.Коломиец Ю.Г., Попель O.C., Фрид C.E. Сравнение эффективности использования плоских и вакуумных солнечных коллекторов для нагрева воды // Материалы пятой Всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии», 25 -26 октября 2006. М.: с. 38 - 42.

37.Бутузов В.А., Шетов В.Х. Солнечное теплоснабжение олимпийских объектов // Промышленная энергетика. 2008. №12. - с. 51 - 53.

38.Бутузов В.В. Вакуумные трубчатые коллекторы. Мировые производители и перспективы производства в России / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2010. №4.-с. 64-68.

39.Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в Россини. Проектирование, строительство, эксплуатация. Lambert Academic Publishing. Германия, Саар - Брюкен. 2012. 460 с.

40.Нормы проектирования. Раздел «Установки солнечного горячего водоснабжения» ВСН 52-86 / Госгражданстрой СССР. - М. 1987. 17 с.

41.Remmers К. - Н. Große Solaranlagen. Solarpraxis, Berlin. 2001. 340 s.

42.Бутузов В.А. Проектирование систем солнечного горячего водоснабжения. Анализ российского опыта и нормативных документов // Промышленная энергетика. 2003 №1. - с. 39 - 45.

43.Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного теплоснабжения: РД 34.20.115 - 90. - М.: Минэнерго СССР. 1990 - 74 с.

44.Елистратов В.В., Грилихес В.А., Аронова Е.С. Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во Политех, ун-та, 2008. - 100с. 6,25 п.л.

45.Бутузов B.B. Развитие гелиоустановок. Опыт Краснодарского края / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. //Энергосбережение. 2011, №1 - с. 74 - 77.

46.Бутузов В.В. Перспективы развития возобновляемой энергетики при использовании комплектных гелиоустановок малой мощности / Бутузов В.В., Амерханов P.A., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Тр. Куб. гос. Аграрного университета, 2010, №3 - с. 188 - 196.

47.Елистратов В.В., Аронова Е.С. Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения. Учебное пособие. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2012. - 164с.

48.Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. СПб, Изд-во Политехи. Унта, 2011, 239с. (монография).

49.Бутузов В.В. Гелиоустановки с естественной циркуляцией. Анализ конструкций / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Промышленная энергетика. 2011 №1. - с. 49 - 51.

50.Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России // Возобновляемая энергетика. - 1997. №1. - с. 48-51.

51.Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. - 1996. №5. - с. 17-21.

52.Рекомендации по технико - экономическому обоснованию применения нетрадиционных солнечных и солнечно - теплонаносных систем теплохладоснабжения на гражданских и промышленных объектах / ЦНИИЭП инж. обор. М., 1987. - 54 с.

53.Методические указания по оценке экономической эффективности и расчету экономии органического топлива при использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии АН СССР. М. -1987. -56 с.

54.Валов М.И. Условия эффективного использования систем гелиотеплоснабжения // Гелиотехника. - 1984. - №1. - с. 23 - 27.

55.Асташенко В.А., Валов М.И., Зимин E.H. Технико - экономические показатели систем гелиотеплоснабжения / Сб. науч. Тр. МЭИ. - М., 1983. №619.-с. 127- 135.

56.Валов М.И. Оптимальное значение площади солнечных коллекторов в системах гелиотеплоснабжения // Гелиотехника. - 1986. - №1. - с. 34 - 39.

57.Валов М.И. Системы солнечного теплоснабжения / М.И. Валов, Б.И. Казанджан. -М.: Издательство МЭИ. 1991. - 140 с.

58.Бутузов В.А. Гелиоустановки горячего водоснабжения большой производительности // Промышленная энергетика. 2002 №9. - с. 44 - 51.

59.Бутузов В.А. Гелиоустановки горячего водоснабжения большой производительности: проектирование и эксплуатация // Теплоэнергоэффективные технологии. - 2002 №2. - с. 47 - 53.

60. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергетики в России. Академия энергетики №4(48). СПб.: 2012. С.28-37.

61-Ulbjerg F. Large - scale solar heating // Hot / Cool. 2008. №3. P. 8 - 10.

62.Meyer J. - P. Solar heating on a grand scale // Sun, Wind Energy. 2008. №5.P 82 - 84.

63.Berner J. Magawatt arrays for more heat // Sun, Wind Energy. 2008. №8. P 78 -81.

64.Felix Dr. Langzeiterfahrungen Solarthermi: Wehrwiesser für das erfolgreiche und Bauen von Solaranlagen. Solarpraxis. Dr. Felix, A. Peuser, Karl - Heinz Remmers, Martin Schnauss. - Berlin. - 450 s.

65.Бутузов В.А. Централизованное солнечное теплоснабжения в Дании // Альтернативная энергетика и экология. 2009. №7. - с. 76 - 77.

66.Крюкова Т.И. Солнечно - топливные котельные // Гелиотехника. - 1986. №4. - с. 57 - 60.

67.Бутузов В.А. Разработка и эксплуатация солнечно - топливных котельных / Бутузов В.А., Мацко А.Н. // Промышленная энергетика. - 1991. - №1. -с. 4-7.

68.Бутузов В.А. Разработка, эксплуатация, экономическая целесообразность

сооружения солнечно - топливных котельных // Сб. докл. III съезда АВОК, Москва, 22 - 25 сентября 1993 г. - М. - с. 82 - 92.

69.Бутузов В.В. Расчетные значения интенсивности солнечной радиации для проектирования гелиоустановок // Альтернативная энергетика и экология. 2009. №11.-с. 75 -80.

70.Бутузов В.В. Энергетический потенциал солнечной радиации и экономическая целесообразность применения гелиоустановок в Краснодарском крае и Якутии / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Амерханов Р.А., Томаров Г.В. // Тр. Куб. гос. Аграрного университета, 2008, №1 - с. 26 - 34.

71.Справочное пособие к СНиП 2.01.01 - 82 «Строительная климатология и геофизика» М. 2001 г. - 21 с.

72. Бутузов В.В. Энергетический потенциал солнечной радиации и экономическая целесообразность применения гелиоустановок в Якутии / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Промышленная энергетика. 2009. №6. - с. 48 - 54.

73. Бутузов В.А. Опыт и условия эксплуатации и оптимизации гелиоэнергетических установок в Краснодарском крае / Амерханов Р.А., Брянцева Е.В. // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион, Технические • науки, №3, 2011.

74.Бутузов В.В. Гелиоустановки с тепловыми дублерами / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Амерханов Р.А. // Тр. Куб. гос. Аграрного университета, 2007, №3(7) - с. 165- 169.

75.Бутузов В.В. Определение мощности теплового дублера для обеспечения устойчивой работы гелиоустановки / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Амерханов Р.А. // Энергосбережение и водоподготовка, 2007, №4(48) - с. 64-65.

76.Бутузов В.В. Определение мощности пиковых котлов при проектировании гелиоустановок / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В. // Промышленная энергетика. 2007, №10 - с. 47 - 49.

77.Бутузов В.В. Гелиоустановки котельных малой мощности/ Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В. // Промышленная энергетика. 2007, №6 - с. 43 - 44.

78.Бутузов В.В. Формирование рынка гелиоустановок: основные факторы экономической окупаемости / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2012, №11 - 12.-е. 42-45.

79.Бутузов В.В. Автоматизация солнечных тепловых установок / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2009, №12. - с. 15-18.

80.Елистратов В.В. Использование возобновляемых источников энергии -путь к устойчивому развитию и энергоэффективности. Научно-технические ведомости СПбГПУ №3-2 (154). Изд-во Политехи. Ун-та. СПб.: 2012, с.77-83.

81.Бутузов В.В. Термосифонные гелиоустановки. Тенденции совершенствования конструкций / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Альтернативная энергетика и экология. 2009, №9. - с. 100- 105.

82.Бутузов В.В. Гелиоустановка угольной котельной / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В. // Промышленная энергетика. 2009, №1. - с. 51 - 52.

83.Бутузов В.В. Разработка, сооружение и испытания солнечно - топливных котельных / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Потапова Е.А. // Материалы четвертой Южно-российской конференции «ЮРНК-05», 7-8 апреля 2005 г. г. Краснодар.

84.Бутузов В.В. Разработка и испытания солнечно - топливной котельной / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Потапова Е.А. // Промышленная энергетика. 2005, №7. - с. 43 - 45.

85.Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. Изд. 2-е доп. - СПб, Издательство Наука, 2013, 308с.

86.Бутузов В.В. Комбинированное теплоснабжение объектов с

использованием солнечной энергии / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В. // Промышленная энергетика. 2006. №12. - с. 39 - 41.

87.Бутузов В.В. Солнечное теплоснабжение / Бутузов В.В., Амерханов P.A. // Труды КубГАУ. 2007, №5(9). - с. 171 - 175.

88.Бутузов В.В. Внедрение солнечно-топливных котельных в Краснодарском крае / Бутузов В.В., Амерханов P.A. // Тезисы докл. Научно - практ. Конференции «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». Краснодар. 14-16 ноября 2007 г. КубГАУ. - с. 7 - 9.

89.Бутузов В.В. Гелиоустановка горячего водоснабжения котельной с двойным контуром / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В. // Промышленная энергетика. 2008, №4. - с. 43 - 44.

90.Бутузов В.В. Исследования, разработка и испытания гелиоустановок / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Материалы научной молодежной школы МГУ. 2008. М.: 2008. - с. 67 - 73.

91.Бутузов В.В. Гелиоустановки. Региональный опыт проектирования и строительства / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Электронный журнал «Энергосовет». 2011, №7(20). - с. 67 - 70.

92.Бутузов В.В. Опыт проектирования и строительства гелиоустановки для горячего водоснабжения районной больницы / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Новости теплоснабжения. 2012, №2. - с. 27 -30.

93.Бутузов В.В. Проектирование и строительство гелиоустановки большой мощности / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Энергосбережение. 2012, №3. - с. 69 - 73.

94.Бутузов В.В. Экономическая целесообразность сооружения гелиоустановок / Бутузов В.В., Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Гнатюк И.С. // Энергосбережение. 2012, №8. - с. 72 - 74.

95. Стребков Д.С. Инновационные технологии для возобновляемой энергетики // Сборник трудов IX Международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика 2012». М. 2012. С. 114-122.

96. Безруких П.П. О роли ВИЭ в устойчивом развитии и энергоэффективности// Сборник трудов IX Международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика 2012». М. 2012.

97.Харченко В.В. Выбор параметров фотоэлектрического теплового модуля / Никитин Б.А., Тихонов П.В. // Сборник трудов IX Международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика 2012». М. 2012.