Совершенствование методов обоснования и оптимизации автономных энергокомплексов на базе теплового насоса, солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Афонин, Вячеслав Сергеевич

• Афонин, Вячеслав Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Афонин, Вячеслав Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЭК В РОССИИ И ЗАРУБЕЖОМ

1.1 Современное состояние и перспективы развития ТЭК в мире

1.2 Современное состояние ТЭК в России

1.3 Недостатки использования традиционного топлива

1.4 Основные выводы

2 МЕТОДИЧЕСКАЯ, РЕСУРСНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ПО ВИЭ В РОССИИ

2.1 Обзор основных публикаций по теме работы

2.2 Методическое обеспечение расчетов энергокомплексов ВИЭ

2.3 Обзор оборудования ВИЭ, представленного в России

2.4 Основные выводы

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

3.1 Выбор объекта

3.2 Постановка задачи

3.3 Основные исходные данные

4 МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТНУ, СК И СФЭМ

4.1 Алгоритм расчета прихода солнечной радиации

4.2 Алгоритм расчета тепловой нагрузки объекта

4.3 Алгоритм расчета источника низкопотенциального тепла ТНУ

4.4 Методика обоснования структуры и параметров ГЭК

4.5 Применение методики расчета дисконтированных затрат в рассматриваемые ГЭК

5 МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТНУ, СК И СФЭМ

5.1 Оптимизация гибридного энергокомплекса

5.2 Оптимизация угла наклона СК и СФЭМ

5.3 Разработка новых типов ГЭК и оптимизация их параметров

5.4 Расчет гибридного энергокомплекса

5.5 Расчет экономической эффективности ГЭК

2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

2

а, м /с - температуропроводность

ав, o.e. - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности

ан, o.e. - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности

Aß, град - шаг изменения угла наклона

ß, o.e. - добавочные потери теплоты

ßCK, град - угол наклона CK

/?сфэм, град - угол наклона СФЭМ

Ö, град - склонение Солнца

£, o.e. - холодильный коэффициент преобразования ТНУ

rj, o.e. - тепловой коэффициент преобразования (СОР) ТНУ

г], o.e. - идеальный КПД СФЭМ

г]ск, o.e. - КПД солнечных коллекторов

77о, o.e. - идеальный КПД солнечных коллекторов

г)сфэм, o.e. - фактический КПД солнечных фотоэлектрических модулей

?7ддг, o.e. - КПД, определяющий потери мощности при последовательной

коммутации СФЭМ

Vaи> ое- - КПД, определяющий потери напряжения в сети при передаче энергии от СФЭМ к потребителю у, град - азимут

Я, Вт/м-°С - расчетный коэффициент теплопроводности

р, o.e. - альбедо поверхности

р, кг/м3 - плотность воздуха в помещении

р, кг/м3 - плотность грунта

р, кг/л - плотность воды

(р, град - широта местности

xfj, град - долгота местности

w, % - влажность

ßv

щ , град - часовой угол для произвольно ориентированной площадки 0)1, град - часовой угол Солнца для горизонтальной площадки

cof7, град - часовой угол восхода Солнца для произвольно ориентированной площадки

сград - часовой угол захода Солнца для произвольно ориентированной площадки

Сс>в, град - часовой угол восхода Солнца для горизонтальной площадки 0)1, град - часовой угол заката Солнца для горизонтальной площадки аг, кВт/м °С - коэффициент линейных тепловых потерь CK

"У

а2, кВт/м °С - коэффициент нелинейных тепловых потерь CK с, кДж/кг-°С - удельная теплоемкость воздуха

г Вт-ч

Сп,--теплоемкость воды

DBH, м - внутренний диаметр геотермального зонда D3KB, мм - эквивалентный диаметр Dy, мм - условный проход

кзап, o.e. - коэффициент заполнения солнечного элемента h, м - толщина конструкции

F, м2 - площадь поверхности F0, o.e. - число Фурье

G, o.e. - вспомогательный коэффициент

к, o.e. - коэффициент учета влияния встречного теплового потока kHL, o.e. - коэффициент, учитывающий тепловые потери кт, o.e. - коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку КпрС, o.e. - отношение приходов часовой прямой СР на наклонную и горизонтальную площадки Ln, м3/ч - расход удаляемого воздуха LTHy, м - общая протяженность геотермальных скважин 71 - номер характерных суток

^сфэм> кВт-ч - выработка СФЭМ

Л/эл, кВт-ч - электрическая нагрузка

Л^?нуВ5 кВт - теплопроизводительность ТНУ «воздух-вода»

N™y, кВт - теплопроизводительность ТНУ «грунт-вода»

Л/^у, кВт - холодопроизводительность ТНУ

Л/^ну, кВт - потребление электроэнергии ТНУ

<7ГВС, л3/ч - расход системы ГВС

дуд, Вт/м - удельный отбор тепла от геотермальной скважины

(2В т, кВт-ч - бытовые тепловыделения

(?гвс, кВт-ч - нагрузка системы ГВС

Финф1> кВт-ч - потери на инфильтрацию

(?конд.> кВт-ч - нагрузка системы кондиционирования

н , кВт-ч - нагрузка системы отопления (}0СТш, кВт-ч - приход СР через остекления (2СК> кВт-ч - выработка СК (2т.н.> кВт-ч - общая тепловая нагрузка (?Трш1, кВт-ч - трансмиссионные потери <2х.н., кВт-ч - общая нагрузка кондиционирования Я0, м °С /Вт - сопротивление теплопередаче конструкции Иь, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление скважины Яда, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта Ида, м°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта для расчетного дня

Ядт, м-°С/Вт - линейное термическое сопротивление грунта для расчетного месяца

Як, м °С /Вт - термическое сопротивление ограждающей конструкции

л

5, м - площадь помещений АЬ, час - интервал времени

Д£, °С - поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин

£а, °С - температура атмосферного воздуха

£ант °С, - температура теплоносителя в скважине

£вн, °С - температура помещений

*т.в.> - температура горячей воды

£гр, °С - температура грунта в естественном состоянии

£ок, лет - срок окупаемости инвестиций

£®ну, °С - температура на выходе из ТНУ (контур отопления)

*тну> °С - температура на входе в ТНУ (контур источника)

£х в, °С - температура холодной (водопроводной) воды

Т, час - расчетный период времени

V, м/с - скорость протока теплоносителя

т/ч - суммарный расход теплоносителя 1А/, т/ч - расход теплоносителя через одну скважину Е, % - ссудный процент Зд, руб. - дисконтированные затраты Зприв, руб. - приведенные затраты И, руб. - ежегодные издержки К, руб. - капиталовложения К°ну, руб. - стоимость ТНУ К°к, руб. - стоимость СК К°|эм, руб. - стоимость СФЭМ

К°рад, руб. - стоимость установок традиционной генерации тепловой и электрической энергии К^ну, руб. - стоимость монтажа ТНУ С6, руб. - стоимость монтажа СК ^сфэм' РУб- - стоимость монтажа СФЭМ

К^рад, руб. - стоимость монтажа установок традиционной генерации тепловой и электрической энергии

М, o.e. - нормативный коэффициент экономической эффективности кВт-ч/м2 - приход суммарной СР на горизонтальную площадку Эд, кВт-ч/м2 - приход диффузной СР на горизонтальную площадку

кВт-ч/м2 - приход суммарной СР на наклонную площадку ЭдУ, кВт-ч/м2 - приход диффузной СР на наклонную площадку Э„р, кВт-ч/м2 - приход прямой СР на наклонную площадку

Э^р, кВт-ч/м2 - приход отраженной СР на наклонную площадку

3t, руб. - денежный поток

ЭдС, руб. - дисконтированные затраты

АБ - аккумуляторная батарея АЗК - автозаправочный комплекс АЗС - автозаправочная станция

ВИЭ - нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

АЭС - атомная электрическая станция

ВТО - Всемирная Торговая Организация

ВЭУ - ветроэнергетическая установка

ГВС - горячее водоснабжение

ГЭК - гибридный энергокомплекс

ГЭС - гидроэлектростанция

ЕС - Евросоюз

ЕЧР - Европейская часть России

МЭА - Международное энергетическое агентство

НПЗ - нефтеперерабатывающий завод

Hill - низкопотенциальное тепло

СР - солнечная радиация

СК - солнечный коллектор

СОР - коэффициент преобразования ТНУ (прим. - от англ. «coefficient of performance»)

СФЭУ - солнечная фотоэлектрическая установка ТНУ - теплонасосная установка ТЭК - топливно-энергетический комплекс ТЭО - технико-экономическая оптимизация ТЭР - топливно-энергетические ресурсы ТЭС - тепловая электрическая станция

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов обоснования и оптимизации автономных энергокомплексов на базе теплового насоса, солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современный топливно-энергетический комплекс (ТЭК) мира функционирует и развивается в особых условиях, которые определяются целым рядом объективных факторов как экономического, так и социально-экологического характера. С одной стороны - это факторы, стимулирующие развитие ТЭК: рост населения Земли и необходимость повышения уровня его жизни во всех странах мира. С другой стороны, сегодня действует целый ряд факторов, сдерживающих развитие ТЭК, которые являются основой экономики всех стран мира. В том числе: реальная ограниченность невозобновля-емых энергетических ресурсов на Земле; их неравномерное распределение по странам мира; непрерывный рост стоимости этих ресурсов; резкое возрастание роли социально-экологических факторов во многом определяющих сегодня темпы и уровни развития мировой экономики в целом. [1]

Всем известно, что основу современного ТЭК мира составляют электростанции и энергоустановки, базирующиеся на использование ископаемых невозобновляемых источников энергии - тепловые электрические станции (ТЭС) и атомные электрические станции (АЭС) а так же традиционные средние и крупные гидроэлектростанции (ГЭС). Все эти электростанции дошли по своим масштабам до такого уровня развития, что оно стало реально сказываться на условиях жизни человека на Земле. Понимая это, большинство стран мира и уже в течение многих десятков лет прилагают усилия для исследования возможностей и внедрения в ТЭК огромных слабо использующихся на земле нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ), обладающих минимальным влиянием на окружающую среду по сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии. [2,3] В связи с этим освоение экологически чистых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является стратегической задачей, опреде-

ляющей перспективы устойчивого развития многих стран, а также удаленных от сетей централизованного энергоснабжения регионов в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и угрозы все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии ВИЭ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе и российский. [4,5]

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения России. Потери тепла в сетях страны значительно превосходят нормативные показатели. Данная проблема может быть решена за счет внедрения теплонасосных установок (ТНУ) в централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения. [6]

Увеличение экологических требований заставляет использовать альтернативные источники энергии и для производства электроэнергии. Кроме того, вступление России в августе 2012 года в ВТО серьезно скажется на энергетической отрасли страны. Ожидается, что вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) приведет к переходу на международные тарифы на энергоносители и к повышению издержек на действующих предприятиях страны. Как следствие, это приведет и к сокращению численности предприятий энергетического сектора и росту безработицы. [7,8] При этом 2/3 территории России с населением 20 млн. человек не имеет централизованного энергоснабжения. Солнечная энергетика может стать перспективным источником энергии в данном случае.

Все сказанное выше, а также и другие немаловажные факторы, заставляет весь мир, а в последние годы и Россию, по новому оценить возможности и перспективы использования богатейших ресурсов возобновляемых источников энергии. Поэтому весьма перспективной представляется задача энергоснабжения автономного потребителя комплексными установками на базе ВИЭ.

Цель работы.

Систематизация и анализ существующих информации и методического обеспечения расчетов схем энергоснабжения автономного потребителя на основе теплонасосных установок (ТНУ), солнечных коллекторов (СК) и солнечных фотоэлектрических модулей (СФЭМ). Разработка алгоритма обоснования и оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения автономного потребителя. Разработка универсального расчетной модели, предназначенной для проведения расчета основных энергетических параметров автономных потребителей, характерных для Европейской части России.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

- анализ рынка потребителей и производителей ТНУ, СК и СФЭМ в России и мире;

- разработка методики технического обоснования параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

- разработка методики технико-экономической оптимизации параметров автономной системы энергоснабжения на базе ТНУ, СК и СФЭМ;

- разработка расчетной модели для расчетов параметров ГЭК;

- анализ результатов расчета на выбранном объекте.

Предметом исследования является информационное и методическое обеспечение энергетических расчетов автономного потребителя.

Объектом исследования являются гибридные энергокомплексы для энергоснабжения автономных потребителей.

Методы исследования.

Исследования проводились на основе методов системного анализа, с использованием методов математического и динамического программирования, и численных методов решения задач.

Научная новизна работы.

Разработана комплексная методика технического обоснования и технико-экономической оптимизации структуры, параметров и режимов работы ГЭК для энергоснабжения автономных потребителей, включающих в свой состав ТНУ, СК, СФЭМ и классические генераторы тепловой и электрической энергии в виде алгоритмов, формул и таблиц.

Введена классификация рассматриваемых типов оборудования по гарантированное™ энергоснабжения. Разработана инновационная схема ГЭК, включающая ТНУ, СК и СФЭМ с повышенными показателями энергоэффективности.

Разработана комплексная расчетная модель на базе MS Office Excel, на базе которого проведены исследования для одного из перспективных к внедрению установок ВИЭ объектов. Даны рекомендации по внедрению ГЭК с установками ВИЭ на территории ЕЧР.

Практическая ценность.

Данная расчетная модель была использована при проведении дипломных и выпускных работ по специальности 140202 «Нетрадиционные и Возобновляемые Источники Энергии» в весенних семестрах 2009 - 2013 гг.. Разработки были использованы при выполнении расчетного задания по курсу «Нетрадиционная Энергетика» в осенних семестрах 2009-2013 гг. специальности 140202 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете).

Разработанная расчетная модель может быть использована для проектных и исследовательских расчетов разных компаний, связанных с НВИЭ, а также может эффективно использоваться в учебных программах различных ВУЗов.

Личный вклад.

Автором выполнен анализ современного состояния и перспектив развития ВИЭ в мире и РФ; создание актуальной для условий РФ материально-технической базы ТНУ, СК и СФЭМ; выявление критериев выбора перспективных объектов.

Разработана комплексная методика обоснования универсального ГЭК с ТНУ, СК и СФЭМ, основанной на известных математических моделях расчетов отдельных составляющих ГЭК, включая техническое обоснование и технико-экономическую оптимизацию. Данная методика использована при разработке расчетной модели на базе MS Office Excel.

Был проведен сбор исходных данных для выбранного объекта, проведены расчеты, обработаны и проанализированы полученные результатов в табличном и графическом виде.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 25-26 февраля 2010 г. - М., МЭИ, 2010 г.

2. II международная научно-практическая конференция: научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях 29 июня -2 июля 2010 г. - М. МГСУ, 2010.

3. V международная Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» - 18-23 октября 2010 г. - М. МЭИ.

4. VII Всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» - 24-26 ноября 2010 г. - М. МГУ,

5. I Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи "Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных ар-

хитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений" 14 декабря 2010 г. - М. МГСУ, 2010 г

6. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 24-25 февраля 2011 г. - М., МЭИ.

7. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1-2 марта

2012 г.-М., МЭИ.

8. IV международная научно-практическая конференция: научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях 26 июня -29 июня 2012 г. - М. МГСУ.

9. Всероссийская молодежная научно-техническая конференция: Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития. 7 декабря 2012 г. - ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ".

10. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1 марта

2013 г.-М., МЭИ.

11. XXX конференция и выставка «Москва - энергоэффективный город» 2325 октября 2013 г. М., здание Правительства Москвы.

12. III Специализированная архитектурно-строительная выставка «КРАСИВЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ ДОМА» 31 октября 3 ноября 2013 г. - М. МВЦ «КРОКУС ЭКСПО».

13. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: двадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 27-28 февраля

2014 г. -М., МЭИ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников из 56 наименований. Диссертация содержит 113 страниц основного текста, 30 рисунков, 25 таблиц.

Публикации.

По теме работы опубликовано 11 публикаций в сборниках тезисов и трудов конференций, 3 статьи ВАК, получено 1 авторское свидетельство на базу данных «Климатологические и теплотехнические строительные рефе-ренсные показатели» № 2012620663.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЭК В

РОССИИ И ЗАРУБЕЖОМ

1.1 Современное состояние и перспективы развития ТЭК в мире

Энергетика является крайне инерционной сферой экономики, и продвижение в нее новых технологий занимает, как правило, десятилетия. В этой связи необходимо заблаговременно готовиться к структурным и технологическим перестройкам энергетики, развивая перспективные технологии и осваивая новые источники энергии. Публикуемые статистические данные о состоянии энергетики мира и регионов зачастую противоречивы из-за неполноты информации, а также нежелания указывать конфиденциальную информацию вследствие возросшей конкуренции в секторе НВИЭ. Что касается прогнозов развития энергетического сектора, то они существенно различаются в зависимости от предпосылок, допущений, сценариев и методик составления. [9, 10]

Наиболее авторитетной организацией, ведущей статистические и прогнозные исследования мировой энергетики, является Международное энергетическое агентство (МЭА). Согласно прогнозу МЭА, к 2035 г. мировое потребление энергии возрастет примерно в 1,5 раза (в основном за счет развивающихся стран - для них прирост составит 84%). Органические топлива будут продолжать превалировать в мировом энергетическом балансе (Рисунок 1.1), хотя его вклад в него жидких топлив упадет с 35% в 2007 г. до 30% в 2035 г. в связи с предполагаемым продолжением роста цен на нефть. Развитие данного сектора мирового энергетического баланса связывается, в основном, с развитием транспортного сектора мировой экономики. Мировое потребление природного газа также будет возрастать (примерно на 40% к 2035 г.). Основными потребителями природного газа являются электроэнергетика, промышленность и строительный сектор (теплоснабжение зданий). Потребление угля к 2035 г. в соответствии с прогнозом МЭА возрастет на 56%; этот

прирост связан с развивающимися странами. В развитых же странах наращивание использования угля не предполагается, прежде всего, по экологическим соображениям.

45 40 35 30 25 20 15 10

Е! АЭС ■ ВИЭ ■ Природный газ □ Уголь

■ Жидкие топлива

Ш1

2007 2015 2020 2025 2030 2035

Рисунок 1.1. Вклад различных первичных источников энергии в мировое производство электроэнергии, трлн. кВт-ч.

Наибольшими темпами будет развиваться ВИЭ. К 2035 г. предполагается удвоение вклада ВИЭ в мировой энергетический баланс (в среднем рост 2,6% в год). Вклад ВИЭ в энергетический баланс за рассматриваемый период возрастет примерно с 6 до 13,5%. Ускоренными темпами предполагается развитие возобновляемой энергетики (малые ГЭС, ветроэнергетические установки (ВЭУ), использование биомассы, солнечные коллекторы (СК), солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), ТНУ и прочее). Прогноз развития мирового энергетического комплекса представлен в графическом виде на Рисунке 1.1. [9]

Большую роль в развитии ВИЭ играет фотовольтаика. Так, производство СФЭУ в 2009 году составило 11,5 ГВт, прирост производства составил около 56% по сравнению с 2008 годом. С 2000 года общее фотоэлектриче-

ское производство возросло более чем в 30 раз, а ежегодные темпы роста лежат между 40 и 80 %. По различным оценкам, за 2009 год было установлено от 7,1 до 7,8 ГВт мощности СФЭУ. С суммарной установленной мощностью в 16 ГВт страны Евросоюза (ЕС) лидируют по СФЭУ с более чем 70% от общей мировой мощности в 22 ГВт СФЭУ по состоянию на конец 2009 года. Лидеры по ежегодному вводу мощностей СФЭУ - Германия с 2,3 ГВт, Италия с 730 МВт, Япония с 484 МВт, США с 470 МВт, Чехия с 411 МВт и Бельгия с 308 МВт (по данным на 2010 год). Прирост ежегодного ввода мощность СФЭУ в мире приведен на Рисунке 1.2. [10,11]

Рисунок 1.2. Ежегодный ввод мощности СФЭУ с 2000 по 2009 годы. [12, 13]

Помимо увеличения количества производства, продаж и установки мощностей СФЭУ, идет непрерывное развитие технологий солнечной энергетики. Исследования проводятся на очень высоком уровне. При этом основные пути развития технологий СЭ заключаются в снижении стоимости кремниевых СФЭУ, во внедрении тонкопленочных СФЭУ, в повышении КПД СФЭУ и в интеграции СФЭУ в строящиеся здания. Предполагается повышение КПД СФЭУ из монокристаллического кремния с 16,5 до 22%, поликри-

19

сталлического - с 14,5 до 20%. А интеграция СФЭУ в новые здания снизит цены на модули для конечного потребителя на 75%. [14]

Известно, что тепловая энергия доминирует в конечном пользовании. Эмпирические данные по потреблению энергии показывают, что тепловая энергия составляет половину от общего потребления энергии. Данные по удельному потреблению энергии за 2009 год приведены в Таблице 1.1. Однако необходимо помнить, что, несмотря на соответствующую долю системы ГВС в общем потреблении тепловой энергии, конечное потребление тепла системой ГВС остается неучтенным вследствие отсутствия достоверных исследований потребления горячей воды в последние годы. Необходима детальная оценка данного параметра на национальном уровне, которая поспособствует лучшему пониманию рынка тепловой энергии. [15, 16]

Таблица 1.1. Удельное потребление конечной энергии в странах ЕС.

Вид энергии Доля потребления конечной энергии, %

Электрическая энергия 20

Тепловая энергия 48

Топливо для транспорта 32

В связи с преобладанием тепловой энергии в энергетическом балансе солнечная тепловая энергетика является второй важнейшей составляющей возобновляемой энергетики. Так, помимо использования СК для подогрева горячей воды и нестандартных способов преобразования солнечной энергии (солнечные пруды, солнечные печи, солнечные кухни и т.д.) существует перспектива использования солнечной энергии в гибридных энергокомплексах, например, вместе с газовыми, теплонасосными или биореакторными установками. Внедрение гибридных энергокомплексов сможет обеспечить стабильность региональной или даже национальной энергетику.

Солнечная тепловая энергетика развивается крайне агрессивно. Самый большой рынок данного сектора энергетики расположен в Европе. В странах ЕС в последние годы средний ежегодный прирост мощности солнечных тепловых установок составляет 2,7 ГВт. Общая мощность установленных к кон-

цу 2009 года систем достигла 22,1 ГВт (или 31,6 млн. м2 площади СК). Активнее всего рынок СК развивается в Германии - он ежегодно удваивается, в то время как в небольших странах ЕС (Ирландия, Португалия) только развивается. Главная причина тому - газовый кризис в Европе в 2008 году из-за прекращения поставок газа через Украину.

После газового кризиса 2008-2009 годов в некоторых странах ЕС внедрение СК является обязательным при постройке новых сооружений. Солнечная энергетика может обеспечить выработку тепловой энергии без выбросов СО и С02 по всему миру. В строительной сфере солнечные тепловые системы используются для:

1. Приготовления горячей санитарной воды;

2. Отопления помещений (преимущественно в Северной Европе);

3. Охлаждения помещений (преимущественно в средиземноморских странах). [15, 17]

Солнечная тепловая энергетика обеспечивает в основном поддержку низкотемпературных тепловых сетей (отопление и система ГВС), а так же играет роль одного из бивалентных теплогенераторов в системах охлаждения. [17] Поэтому можно выделить следующие основные категории внедряемых солнечных коллекторов:

1. Пассивные системы на базе плоских СК общей площадью 2-3 м2 (преимущественно в Южной Европе);

2. Активные системы на базе плоских СК общей площадью 2-6 м2 (преимущественно в Центральной и Северной Европе);

3. Активные системы на базе вакуумных СК, которые имеют на 15% в среднем большие показатели эффективности в Южной Европе и на 30% в среднем в Северной Европе;

4. Системы с незастекленными СК.

Доля вакуумных СК составляет 11% от общего числа установленных СК по состоянию на 2009 год; 90% солнечных тепловых систем используются для подогрева горячей воды (ГВС). [11] Диаграмма на Рисунке 1.3 показывает долю рынка плоских и вакуумных СК в странах ЕС по состоянию на 2009 год.

Греция

5%

Франция

v 8%

Австрия

Италия

Кипр Дания Бельгия

1%

Великобритания

Польша

3%

Португалия 4%

Чехия

3% i

Германия 38%

Рисунок 1.3. Доля рынка СК по состоянию на 2009 год. [18]

Согласно диаграмме на Рисунке 1.3, пять стран ЕС имеют около % от всей установленной в ЕС мощности СК (Германия, Австрия, Испания, Италия и Франция). Отметим, что такая небольшая страна, как Греция занимает шестое место в топ-рейтинге по установленной мощности СК, в то время как в гораздо большей Польше доля солнечной тепловой энергетики существенно меньше. Средняя выработка тепловой энергии с помощью СК в странах ЕС составляет 40 кВт-ч/год на 1000 человек населения.

Несмотря на экономический кризис 2009 года, рынок солнечной тепловой энергетики продолжает развиваться. Цель стран ЕС - достичь показателя в 100 млн. м площади установленных СК. [19] Причиной тому является Со-

22

глашение о вкладе ВИЭ в производство энергии в странах ЕС-27 в 2020 году - необходимо достичь 20% выработки энергии за счет ВИЭ. Данная директива распространяется на выработку электроэнергии, отопление и охлаждение, и подготовку биотоплива для транспортного хозяйства. Данные по текущему состоянию использования ВИЭ в ТЭК Европы (данные на 2005 год и цель на 2020 год) приведены в Таблице 1.2 [14]

Таблица 1.2. Текущее состояние цель развития ВИЭ в странах Европы.

Страна Доля энергии ВИЭ в общей выработке энергии, 2005 г. Цель увеличения доли энергии ВИЭ в общей выработке энергии, 2020 г.

Австрия 23,3 % 34,0 % (+ 6,7 %)

Бельгия 2,2 % 13,0 % (+10,8 %)

Болгария 9,4 % 16,0 % (+ 6,6 %)

Великобритания 1,3 % 15,0 % (+ 13,7 %)

Венгрия 4,3 % 13,0 % (+ 8,7 %)

Германия 5,8 % 18,0 % (+ 12,2 %)

Голландия 2,4 % 14,0 %(+ 11,6%)

Греция 6,9 % 18,0 %(+ 11,1 %)

Дания 17,0% 30,0 % (+ 13,0 %)

Ирландия 3,1 % 16,0 % (+ 12,9 %)

Испания 8,7 % 20,0 %(+ 11,3%)

Италия 5,2 % 17,0 %(+ 11,8%)

Кипр 2,9 % 13,0 % (+ 10,1 %)

Латвия 34,9 % 42,0 % (+ 7,1 %)

Литва 15,0% 23,0 % (+ 8,0 %)

Люксембург 0,9 % 11,0%(+ 10,1 %)

Мальта 0,0 % 10,0 % (+ 10,0 %)

Польша 7,2 % 15,0 % (+ 7,8 %)

Португалия 20,5 % 31,0 % (+ 10,5 %)

Румыния 17,8 % 24,0 % (+ 6,2 %)

Словакия 6,7 % 14,0 % (+ 7,3 %)

Словения 16,0% 25,0 % (+ 9,0 %)

Финляндия 28,5 % 38,0 % (+ 9,5 %)

Франция 10,3 % 23,0 % (+ 12,7 %)

Чехия 6,1 % 13,0 % (+ 6,9 %)

Швеция 39,8 % 49,0 % (+ 9,2 %)

Эстония 18,0% 25,0 % (+ 7,0 %)

В СРЕДНЕМ: 11,6 % 21,5 % (+ 9,9 %)

Помимо большого развития в Европе, СК очень активно внедряются в странах Северной и Латинской Америки и Азии. Крупнейший потенциальный рынок СК в мире в промышленном секторе в перспективе до 2050 года

прогнозируется в США (2500 МВт / год), Китае (6400 МВт / год), Латинской

23

Америке (1800 МВт / год). В Китае к 2010 году были установлены солнечные коллекторы общей установленной мощностью 117,6 ГВт.

В строительном секторе лидерами по внедрению СК для отопления и охлаждения помещений является также Китай и Индия. На их долю приходится 30% от всей установленной мощности СК. Общая прогнозная установленная мощность СК к 2050 году в мире - 1000 ГВт. [20]

Большее развитие во всех вышеперечисленных странах будут иметь гибридные тепловые системы, работающие в бивалентных системах для отопления и охлаждения помещений. Один из важнейших факторов, сдерживающих глобальное развитие солнечной тепловой энергетики - переменчивость прихода солнечной радиации - в течение суток, месяца, года, а также различные климатические условия, в которых возможно эксплуатация СК - в целом зависит от широты и высоты над уровнем моря. Актуальными на данный момент развития техники и технологий решениями такой проблемы будут:

1. Использование бивалентной схемы с альтернативным теплогенератором, основным источником тепла в которой будет - газовый водонагреватель / котел, дизельный котел, электрический котел / водонагреватель, тепловой насос и т.д.

2. Использование накопителя тепловой энергии (водонагревательные емкости, буферные емкости);

3. Использование гибридной схемы с накопителем энергии (например, ТНУ с использованием водонагревателя / буферной емкости или даже грунта или грунтовых вод в качестве накопителя тепловой энергии).

Последний вариант решения проблемы перераспределения солнечной энергии видится одним из самых перспективных безопасных, экологически чистых и надежных для энергоснабжения конечного потребителя. И в действительности, в Европе солнечные системы используют водяные накопители тепловой энергии. Большая емкость тепла обычно достигается за счет

24

увеличения объема накопителя. Большие подземные хранилища воды, искусственные бетонные резервуары, да и просто грунт - используются для сезонного перераспределения тепловой энергии. Также рассматриваются накопители с фазовым переходом материалов. [14, 20]

В качестве основного теплогенератора в бивалентные гибридные схемы внедряются геотермальные ТНУ1 - машины, переносящие тепловую энергию от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Технологическое преимущество геотермальных ТНУ перед солнечными коллекторами - стабильная работа круглый год вне зависимости от климатических условий2.

Сектор ТНУ в Европе является свидетелем сложной ситуации, сложившейся на рынке тепло- и хладоснабжения в 2010 году. Она характеризуется множеством факторов, как положительных, так и отрицательных. Продолжающийся глобальный экономический и финансовый кризис продолжает сказываться на доступности кредитов, а также негативно влияет на доверие потребителей к долгосрочным инвестициям. Замедление развития строительного сектора во многих странах Европы приостановило деятельность во многих областях, которые имели значительный рост в 2006-2008 годах.

Общая неопределенность ближайшего будущего привела потребителей к учету в первую очередь стоимости продукции, или переносу принятия решений на более поздний срок. Наконец, сравнительно низкая цена на нефть и газ в течение большей части этого периода предоставила сложные условия для окупаемости ТНУ за счет более низких эксплуатационных затрат, и как следствие, их окупаемости. [21]

1 ТНУ типа "воздух-вода" не рассматриваются в данной работе вследствие их переменной мощности в зависимости от температуры окружающего воздуха, а также ограничения работоспособности при низких температурах окружающего воздуха.

2 Подразумеваются ТНУ типа "вода-вода", "рассол-вода" с условно бесконечным источником низкопотенциальной энергии.

До 2006 рынок ТНУ находился, в основном, во Франции, Голландии, Германии и Финляндии - около 80% от общего европейского рынка. После 2006 года рынок ТНУ также начал развиваться и в Бельгии, Чехии, Венгрии, Италии и Великобритании, которые показали неплохой рост продаж ТНУ, хотя и с низкой базы объема продаж, мощности установок, технологичности оборудования. [22]

В целом рынок ТНУ в 2010 году показал негативную тенденцию по сравнению с 2008 годом из-за вышеперечисленных факторов: -4 % в странах ЕС. Наибольшее развитие продаж и установки ТНУ в 2008-2010 годах показали Испания, Польша и Португалия. Также наблюдается тенденция перехода от тепловых насосов "грунт-вода" к тепловым насосам "воздух-вода"3. Эта тенденция отражает экономически более осознанное решение с меньшими капитальными затратами в пользу использования воздуха в качестве низкопотенциального источника энергии. Динамика роста продаж ТНУ приведена на Рисунке 1.4. [23]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Афонин, Вячеслав Сергеевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технологические аспекты. Энергетическая безопасность. "Проблемы функционирования и развития электроэнергетики". - М.: МГФ "Знание" 2001 г.

2. Окороков В. Р., Окороков Р. В.. Современные энергетические технологии и социальные экономические последствия их использования. - С.-Пб.: Академия энергетики. 2008 г. №5 (25).

3. Безруких П. П. / О роли ВИЭ в энергобалансах мира и России в XXI веке. / Академия энергетики. 2008 г. №4 (24)

4. Агеева Т.Н., Лантух H.H., Щербатый B.C. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка как вариант технического решения теплоснабжения «энергоэффективной» усадьбы // C.O.K. - 2005. - №12.

5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. - М.: Объединенный институт высоких температур РАН. 2010 г. 84 стр.

6. «Новости теплоснабжения» №11 (15) ноябрь 2001 г.

7. Паньков B.C. «Россия и ВТО» // Вестник аналитики, 2008. № 3. С. 162 -169

8. Окороков В. Р., Окороков Р. В.. Современные энергетические технологии и социальные экономические последствия их использования. - С.-Пб.: Академия энергетики. 2008 г. №5 (25).

9. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире: Научное издание. - Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект". 2011. - 168 стр.

10. PV Status Report. Arnulf Jäger-Waldau, European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy, Renewable Energy Unit. Ispra (VA), Italia. 2010.- 124 стр.

11. Renewable Energy Snapshots 2010. Hans Bloem, European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy, Renewable Energy Unit. Ispra (VA), Italia. 2010. ISBN 978-92-79-16287-9 - 53 стр.

12. European Photovoltaic Industry Association, Global Market Outlook for Pho-tovoltaics until 2014. European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy, Renewable Energy Unit. Ispra (VA), Italia. 2010. - 28 стр.

13. Photovoltaic Energy Barometer, Systèmes Solaires, le journal du photovol-taique no 3 (196), April 2010, ISSN 0295-5873.

14. Renewable Energy Technology Roadmap 20% by 2020. EREC - European Renewable Energy Council, Renewable Energy House, Belgium. 2009. - 24 стр.

15. Technology Roadmap: Solar Heating and Cooling. International Energy Agency, France, June 2012. - 50 стр.

16. J.J. Bloem, B. Atanasiu. Reducing electricity consumption for water heating in the domestic sector, Proceedings of the EEDAL Conference 2006 21st - 23rd June 2006 London.

17. Photovoltaic Energy Barometer, Systèmes Solaires, le journal du photovol-taique no 4 (197), May 2010, ISSN 0295-5873.

18. Data comparison between Eurostat and EurObserv'ER. Observatoire des Energies Renouvelables, France, January 2010.-31 стр.

19. European Commission, Energy for the Future: Renewable sources of energy; White Paper for a Community Strategy and Action Plan, COM. European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Energy, Renewable Energy Unit. Ispra (VA), Italia. 1997. - 55 стр.

20. World Energy Outlook 2012. International Energy Agency, OECD / IEA, France. November 2012. - 690 стр.

21. European Heat Pump Statistic. Outlook 2010. Martin Forsen, Thomas Nowak. The European Heat Pump Association EEIG (EHPA). 2010. - 114 стр.

22. Barometer Pompes a Chaleur, Systèmes Solaires, le journal des Renouvelables, no 205, September 2011. - 20 стр.

23. European Heat Pump Statistic. Outlook 2012. Martin Forsen, Thomas Nowak. The European Heat Pump Association EEIG (EHPA). 2012. - 156 стр.

24. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. М.: Минтопэнерго РФ, 2009.

25. BP Statistical Review of World Energy, June 2012. - 48 стр.

26. International Energy Outlook 2011. International Energy Agency, DOE / IEA-0484. 2011.-301 стр.

27. Алекперов В. "Покорение трех морей" // Экономика и ТЭК сегодня, 2009. № 11. С. 18-19

28. Моргунов Е.В., Николаишвили Д.Г. "Современное состояние и прогноз развития газовой отрасли России" //В сб. «Проблемы развития рыночной экономики» / Под ред. чл.-корр. РАН Перламутрова В .Л. - М.: ИПР РАН, 2004. - 2004. - С.23-36.

29. Лаверов Н.П. "Топливно-энергетические ресурсы: состояние и рациональное использование" // Энергетика России: проблемы и перспективы. Труды науч. сессии РАН. М.: Наука, 2006.

30. Баранов Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ. 2012. -384 стр.: ил. ISBN 978-5-383-00651-1.

31. Бушуев В.В. Энергия и эволюция. М.: ИАЦ Энергия, 2009. - 216 стр.

32. Белая книга ядерной энергетики / под ред. Адамова Е.О. М.: ГУП НИКИЭТ, 2001.

33. Энергосбережение в теплоэнергетике и тепл©технологиях: учебник для вузов / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др.; под ред. А.В. Клименко. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 424 е.: ил.

34. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: Минтопэнерго РФ, 2003.

35. Колесников А.И. Энергоресурсосбережение / А.И. Колесников, С.А. Михайлов. М.: НПЦ «Энергоинвест», 2006.

36. Солнечная энергетика / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин, М: Издательский дом МЭИ, 2008, 276 стр.

37. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России / О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H. Терехова, М.: ОИВТ РАН, 2010, 54 стр.

38. СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» 41-01-2003

39. СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» 60.13330.2012

40. Васильев Т.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низ ко потенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография / М.: Издательский дом "Граница", 2006. - 176 с.

41. Meteonorm 7.0. www.meteonorm.com

42. Материалы компании ООО «Солнечный дом», www.solarhome.ru

43. Лисеев Н. Г., Петин Ю. М. Тепловые насосы для Российского теплоснабжения: перспективы разработки и внедрения. // Энергонадзор-информ. 2007. Т. 31. № 1. С. 40 - 43.

44. СНиП «Строительная теплотехника» II—3—79*

45. СНиП «Тепловая защита зданий» 23-02-2003

46. Каталог проектировщика по тепловым насосам Stiebel Eltron. 2010 г.

47. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.. 2007 HVAC Applications. Chapter 32, 33// 2007.

48. Афонин B.C., Васьков А. Г., Дерюгина Г. В., Тягунов M. Г., Шестопалова Т.А. Системные свойства гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // «Энергобезопасность и энергосбережение» - №2 (44) - М., МИЭЭ, 2012 г. - Стр. 20-27

49. Афонин B.C., Пугачев P.B. Гибридные энергетические установки многофункциональных автозаправочных комплексов // «Потенциал современной науки» - №1 - Липецк, ООО «Максимал информационные технологии», 2014 г. - Стр. 30-37

50. Афонин B.C., Бавин М.Р., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. Гибридные энергокомплексы возобновляемой энергетики для автономного потребителя с использованием голографических фотоэлектрических батарей // «Альтернативная энергетика и экология» - № 16 - Саров, Научно-технический центр «TATA», 2013 г.

51. Афонин B.C., Пугачев Р.В. Гибридные энергетические установки многофункциональных автозаправочных комплексов // «Главный энергетик» - № 5 - М.: «Промиздат», 2014 г.

52. Дмитриев А.Н., Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Руководство по оценке эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия / Дмитриев А.Н., Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. -М: АВОК-ПРЕСС, 2005. - 120 стр.

53. Экономика энергетики: учеб. пособие / Н.В. Нагорная; Дальневосточный государственный технический университет. - Владивосток: Изд-во ДВГ-ТУ, 2007.- 157 с.

54. Методика оценки экономической и финансовой эффективности инвестиционных проектов. Учебное пособие по курсу «Экономика отрасли и организация предприятия» под ред. А.Н. Златопольского, М., МЭИ: 1996 г. 65 стр.

55. Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: учебное пособие / A.M. Протасевич. -Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2012. - 286 стр.: ил.

56. Самарин О.Д. Вопросы экономики в обеспечении микроклимата зданий. Научное издание. - М.: Издательство АСВ, 2011. - 128 стр.: ил.

57. Энергия будущего. №1, июнь 2005,- М.: Международная инновационно-энергетическая ассоциация.