Анализ системы микроконтроллерного управления солнечным источником энергии

УДК 620.9;621.472

АНАЛИЗ СИСТЕМЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНЫМ

ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ

В.Н. Крысанов, А.Л. Руцков, П.А. Семенычев, Ю.В. Шарапов

В данной статье описывается целесообразность применения разработанной системы микроконтроллерного управления альтернативным источником энергии на базе солнечного коллектора. Последняя реализует алгоритмы оптимального перераспределения потоков энергоносителя с минимальными потерями на реальном объекте. Делается вывод об эффективности применения предложенной авторами системы управления альтернативным источником энергии для типовых объектов социально - культурного назначения

Ключевые слова: солнечные коллекторы, вакуумный коллектор, плоский коллектор, величина общего потока солнечной радиации, коэффициент полезного действия

Главной целью современных

энергетических систем является оптимизация выработки, транспортировки и потребления различных потоков энергии. Особую роль в решении поставленной задачи занимают альтернативные источники. Самым мощным из всех источников энергии является солнце. Поэтому использование именно солнечных альтернативных источников видится наиболее целесообразным .

В данной статье описывается система микроконтроллерного управления

альтернативным источником энергии на базе солнечного коллектора. Последняя реализует алгоритмы оптимального перераспределения потоков энергоносителя с минимальными потерями на реальном объекте. В результате достигается замещение значительной доли затрат электроэнергии и угля на нужды горячего водоснабжения (ГВС).

Ниже приведены основные

характеристики подобного рода объектов для выяснения целесообразности применения на них данного типа альтернативного источника энергии.

Объекты социально - культурного назначения, зачастую, располагаются в удалённых от линий коммуникаций районах, что затрудняет подведение электросети и газопровода. Данное обстоятельство побуждает, при проектировании систем энергоснабжения таких объектов, особо учитывать следующие принципы экономии потребления энергоресурсов:

Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, тел. 89202285606 Руцков Алексей Леонидович - ВГТУ, студент, тел. 89525409889

Семенычев Павел Антонович - ВГТУ, студент, тел. 89518772945

Шарапов Юрий Викторович - ВГТУ, студент, тел. 89202150096

-применение современных

теплоизоляционных материалов при постройке зданий;

-использование автономных

твердотопливных/жидкотопливных источников теплоснабжения (котельных);

-применение альтернативных источников электроэнергии.

Мы остановимся на рассмотрении лишь последнего. Сразу отметим, что для Воронежской области можно говорить лишь о частичном покрытии всей потребности в теплоносителе за счет солнечной радиации. Так, кроме отопительной нагрузки на требуемый объем теплоносителя социальнокультурного объекта существует нагрузка, обусловленная нуждами ГВС. Количество теплоты, требуемой на нагрев воды, определяется как:

Ад = Ср¥АТ кВт (1),

где С - теплоёмкость носителя; р -плотность;У- объем носителя; АТ- разность начальной и конечной температур носителя.

Площадь рассматриваемого

оздоровительного комплекса составляет около 400 м.кв. Объем здания по внутренним размерам составляет около 1000 м. куб.

Т.о., потребность теплоносителя для ГВС (с учётом бассейна, бань, расходов на иные хозяйственные нужды) достигает 30 м. куб./месяц.

Затраты на ГВС за год можно определить в Ад » 20000 кВт-ч.

В тоже время, потребности на отопление в период октябрь-апрель составляют в этом случае:

Ад » 0,78 •(650 +1000)-24•10•170 » 20068,5 кВт • ч / год

Как видно из данных цифр, большая часть теплоносителя для данного типа объектов, необходима на ГВС. Расходы ГВС, при этом значительны в летние месяцы (май-сентябрь), что позволяет эффективно использовать солнечные коллекторы.

Анализируя статистическими данными величины солнечной радиации для Воронежской области была получена средняя величина - 1066,8 кВт-ч/ м.кв

На основе данных по потребностям объекта в ГВС и данных по средней величине солнечной радиации, с помощью программы «Т - сол», был выбран оптимальный тип солнечного коллектора - плоский коллектор, площадью 12 кв. м.

Результаты расчетов сравнения плоских и вакуумных коллекторов отражены на графиках (рис.1). Сравнительный расчет дает отношение площади поверхности абсорберов 3.5 к 2.82=1.24/1 при соотношении удельных цен абсорберов (за 1м.кв.) 1/3.46.

Таким образом, энергия, полученная с помощью вакуумных коллекторов в рассматриваемых условиях - заметно дороже а, кроме того, для круглогодичной работы установки не выявлено каких-либо других очевидных преимуществ вакуумных коллекторов.

Учтено следующее обстоятельство: ремонтопригодность плоских коллекторов

заметно выше, чем ремонтопригодность

вакуумных коллекторов.

т т здчі&Ф&вІ и* .

1Н / 6*)|г№ви «ипитор |Ё}_ / ВД* іїглки и и

н ч

1 ! ! * і і ї ) І Ю 11 і!

Икнш

Рис.1. Сравнительный расчет солнечных тепловых коллекторов типа А(3.5м.кв.) и типа В(2.82м.кв.) с помощью программы Т-8о1

Т.о. плоские коллекторы легли в основу системы теплоснабжения объекта (рис.2).

Что касается системы управления (СУ) гелиоустановкой в целом, то в отличие от широкого спектра достаточно сложных иностранных систем , авторы пошли по пути реализации наиболее простого алгоритма и его схемотехнического решения. Данный подход весьма оправдан, с учетом цен на конкурентные изделия и спецификой конкретной гидросистемы.

СУ предусматривает различные режимы работы циркуляционных насосов контура коллекторов и контура отопления и ГВС в зависимости от достижения определённой температуры уставки (рис.3).

Рис. 2. Функциональная схема теплоснабжения объекта

Кроме того, предусмотрена индикация на включение источника нагрева/догрева при недостаточной температуре теплоносителя гелиоконтура. Также в СУ предусмотрена

отработка аварийного режима работы, когда происходит перегрев коллекторов. В этом

случае теплоноситель переносится в бак для охлаждения до рабочего интервала температур. Основой схемотехнического

решения СУ является простейший

микроконтроллер типа «термодат».

Рис. 3. Алгоритм работы циркуляционных насосов Н1 и Н2

Данная система с микроконтроллерным управлением солнечным источником энергии была апробирована в тестовом режиме в период май-сентябрь 2012 года. Полученные данные, позволяют провести сравнительный техникоэкономический расчет эффективности самой СУ.

Без СУ, под действием самоциркуляции за период май-июнь солнечные коллекторы показали КПД=51% . Эта величина была получена при измерении температуры и расхода горячей в контрольной точке датчиков Т1 и Т4. Величина солнечной радиации в расчете на 1 кв. м. по Воронежской области по данным Гидрометцентра составляет [1]:

май -161 кВтч/ м.кв. ; июнь-178 кВтч/ м.кв. . Т.о. величина общего потока солнечной радиации на 1 кв. м. за данный период составляет 399178 кВт-ч/ м.кв.

В пересчете на 12 м. кв., суммарная мощность солнечного излучения составляет: 4068 кВт-ч, или в переводе в МДж 4068-3,6=14644 МДж.

Получены следующие усреднённые данные:

- по температуре: АТ=39°С;

- по объёму потреблённой воды с усреднённой температурой нагрева:

У=45м.куб.

Тогда, принимая для воды значения параметров

-1 -1 - 3

С = 4,183 кДж • кг • К ; р = 1000 кг • м ,

получим:

Ад = СрУАТ = 7468 МДж г = (Ад / д) • 100% = 51%

С СУ за период июль-сентябрь солнечные коллекторы показали КПД Г = 76% . Эта величина была получена при измерении температуры и расхода горячей в контрольной точке датчиков Т1 и Т4.

Величина солнечной радиации в расчёте на 1 м. кВ. по Воронежской области за данный период по данным Росгидрометцентра составляет [1]:

июль-183 кВт-ч/ м.кв.; август-147 кВтч/ м.кв ;сентябрь-103 кВтч/ м.кв.

Т.о. величина общего потока солнечной радиации на 1 м. кв. за данный период составляет 433 кВт-ч/ м.кв.

В пересчете на 12 м. кв. суммарная мощность солнечного излучения составляет: 5196 кВт-ч/ м.кв. или в переводе в МДж 5196^3,6=18705 МДж.

Получены следующие усреднённые данные:

- по температуре: АТ=42°С;

- по объёму потреблённой воды с

усреднённой температурой нагрева:

У=89,91м.куб.

Тогда, учитывая значения С и р для воды получим:

Ад = СрУАТ = 14216 МДж

Тогда КПД равен:

г = (ад / д) • 100% = 76%

Принимая цену 1 кВт (для юридических лиц) на уровне 4-х рублей, получим следующий цифры по рентабельности СУ гелиополем:

Сгенерированная мощность от коллекторов площадью 12 м.кв. с СУ составляет 9302 кВтч ( в денежном эквиваленте 37 200 руб./год).

Сгенерированная мощность от коллекторов площадью 12 м.кв. без СУ составляет 6242 кВтч (в денежном эквиваленте 24 970 руб ./год).

Разница между выше представленными величинами и будет представлять собой минимальный экономический эффект,

обусловленный применением разработанной СУ. Его величина составит 12 230 руб./год.

Используя данные по себестоимости СУ, получим, окончательный срок окупаемости СУ для управления альтернативным источником энергии на базе солнечного коллектора:

Зс 1600

О = -^ =-----= 1.3 года

Зс 12230

В результате проведенной работы:

- получены данные о значительном

экономическом эффекте, который имеет место при применении системы

микроконтроллерного управления системой солнечных коллекторов для удаленных объектов социально - культурного назначения;

- учтена специфика рассматриваемых объектов с точки зрения их энергоснабжения, что позволяет в последствии использовать полученные результаты при проектировании такого типа сооружений;

- предложено оптимальное, по критерию «цена-качество», схемотехническое решение СУ гелиосистемой на базе простейшего микроконтроллера;

- подтверждена работоспособность и

эффективность предложенных подходов и

решений практической реализацией

разработанной гелиосистемы на реальном объекте.

Литература

1. http://www.so1bat.su

2. В.И.Крысанов, А.Л.Руцков.,

П,А.Семенычев, Ю.В.Шарапов .Материалы

конференции У.М.Н.И.К. от 24 марта 2012г.

Разработка интеллектуальной системы

микроконтроллерного управления альтернативными источниками энергии на базе солнечного

коллектора.

3. В.И.Крысанов, А.Л.Руцков.,

П.А.Семенычев, Ю.В.Шарапов. Разработка

интеллектуальной системы микроконтроллерного управления альтернативными источниками энергии на базе солнечного коллектора Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века: труды Всероссийской Студенческой научно-технической Конференции.

Воронеж ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет» 2012. 220с.

Воронежский государственный технический университет

ANALYSIS OF SYSTEM OF MICROCONTROLLER MANAGEMENT OF THE SOLAR

POWER SOURCE

V.N. Krysanov, A.L. Rutskov, P.A. Semenychev, Yu.V. Sharapov

In this article expediency of use of the developed system of microcontroller management by an alternative energy source on the basis of a solar collector is described. The last realizes algorithms of optimum redistribution of streams of the energy carrier with the minimum losses on real object. The conclusion about efficiency of application of the control system offered by authors by an alternative energy source for standard objects socially - cultural appointment is drawn

Key words: solar collector, vacuum manifold, the value of total solar flux, efficiency