Оценка эффективности установок солнечной энергетики в системах теплоснабжения

Вестник ДВО РАН. 2010. № 3

УДК 620.91:697.7

В.В.СЛЕСАРЕНКО, В.В.КОПЫЛОВ, В.В.КНЯЖЕВ

Оценка эффективности установок солнечной энергетики в системах теплоснабжения

Рассмотрены особенности использования солнечной энергии для целей теплоснабжения промышленных предприятий, социальных учреждений и объектов индивидуальной застройки. Приведены характеристики крупных гелиоустановок, введенных в действие на основе разработок лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН. Представлены результаты исследований развития солнечной энергетики в Дальневосточном регионе РФ.

Ключевые слова: солнечная энергия, энергосбережение, гелиоустановки, теплоснабжение.

Estimation of efficiency of solar energy plants in heat supply systems. V.V.SLESARENKO, V.V.KOPYLOV, V.V.KNYAZHEV (Institute of Marine Technology Problems, FEB RAS, Vladivostok).

Features ofsolar energy use for heat supply of industrial enterprises, social establishments and objects of individual building are considered in the paper. Characteristics of large solar power plants, installed on the basis of projects of the Laboratory of Nonconventional power engineering of IMTP FEB RAS, are provided. Results of investigation of solar energy development in the Far Eastern region of the Russian Federation are presented.

Key words: solar energy, economy of energy, solar power plants, heat supply.

Технико-экономические вопросы

Приморский край, юг Хабаровского края и Сахалинской области относятся к районам, где плотность солнечного излучения достаточна для применения солнечных теплоснабжающих установок коллекторного типа, фотоэлектрических преобразователей и тепловых двигателей с гелиоконцентраторами. Это подтверждается данными метеонаблюдений за последние 20 лет [1, 2]. Продолжительность эффективного солнечного сияния в регионе - 1700-2000 ч в год, солнечная энергия на территории Приморского края составляет 1100-1500 кВт-ч/м2-год, поэтому на Дальнем Востоке возможно развитие солнечной энергетики.

Исследования лаборатории нетрадиционной энергетики Института проблем морских технологий (ИПМТ) ДВО РАН обнаруживают высокую эффективность использования гелиосистем различного назначения. Технологические аспекты применения гелиоустановок проработаны и изучены достаточно подробно, определены основные направления их оптимизации при проектировании и внедрении [1, 2, 5].

В 2000-2005 гг. развитие технологий солнечной энергетики сдерживалось высокой стоимостью оборудования и длительным сроком окупаемости инвестиций. В настоящее время использование теплофикационных гелиоустановок стало более выгодным из-за существенного повышения тарифов на электрическую и тепловую энергию в регионе, а также благодаря поставкам на местный рынок недорогих гелиосистем из КНР. Сыграл

СЛЕСАРЕНКО Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, и.о. заведующего лабораторией, КОПЫЛОВ Виталий Викторович - старший научный сотрудник, КНЯЖЕВ Валерий Викторович - научный сотрудник (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток). E-mail: kvv@marine.febras.ru

свою роль и положительный пример Японии и Южной Кореи, широко использующих эти технологии. Сегодня расчетный срок окупаемости солнечных водонагревательных установок (СВНУ) при их применении для теплофикации промышленных и социальных объектов в Приморском крае не превышает 5-6 лет, а для удаленных районов, где стоимость топлива высока, может быть значительно меньше. Срок окупаемости инвестиций во многом зависит от тепловой мощности гелиоустановок. Например, при применении гелионагревателей в системе горячего водоснабжения (ГВС) коттеджа с тепловой нагрузкой 5-10 кВт он обычно превышает 10 лет. Такая продолжительность при нынешней российской банковской системе кредитования и отсутствии государственной поддержки сдерживает расширение объемов строительства и монтажа гелиоустановок. При теплофикации объекта социального назначения (детского сада, школы, пансионата и т.д.) с тепловой нагрузкой ГВС более 50 кВт этот показатель снижается в 2 раза, появляется возможность использовать преимущества бюджетного финансирования для развития солнечной энергетики. Для промышленного предприятия, потребляющего тепловую энергию не только для ГВС, но и в производственных целях (особенно в летний период), срок окупаемости при рациональном конструировании гелиосистемы может быть сокращен до 2,5-3 лет. Эти результаты получены с учетом действующих региональных тарифов на тепловую и электрическую энергию.

Практическая реализация

При разработке гелиотехники необходимо снижать издержки за счет оптимизации технологических решений и правильного подбора оборудования. Для этого исследуется эффективность различных типов гелиосистем с учетом тепловой и электрической нагрузки подключаемого потребителя. Сотрудники лаборатории нетрадиционной энергетики ИПМТ ДВО РАН разработали как типовые, так и индивидуальные проектные и технологические решения наиболее совершенных и эффективных типов гелиоустановок с высокими технико-экономическими показателями.

В 2006 г. построена солнечная водонагревательная установка с 35 вакуумными коллекторами на крыше здания ИПМТ. В 2008 г. сотрудники института ввели крупнейшую на Дальнем Востоке солнечную водонагревательную установку для ГВС и частичного отопления коттеджного поселка Золотая Долина в г. Хабаровск с площадью солнечных коллекторов 400 м2 (рис. 1). В 2008 г. в г. Владивосток лабораторией энергосберегающих технологий совместно с ТГЭУ разработан проект и смонтирована солнечная водонагревательная установка на крыше общежития для обеспечения ГВС. Установка имеет следующие показатели: проектная мощность 70 кВт; площадь солнечных коллекторов 150 м2; тип солнечных коллекторов - вакуумные с тепловыми трубами; объем баков теплоакку-мулятора 10 м3; циркуляция теплоносителя принудительная. При эксплуатации данной установки в течение 2 лет стоимость производства 1 м3 горячей воды составляла менее 17 руб., что в 3,5 раза ниже затрат на централизованное ГВС.

Перспективные разработки

Применение только одного вида из известных нетрадиционных источников энергии не позволяет качественно решить задачу полного энергообеспечения потребителей в Приморском крае. Это связано с климатическими условиями региона и особенностями каждого источника. Так, энергия на солнечную установку поступает только в дневное время и в солнечные дни. Эту проблему можно решить, создав комбинированные системы, состоящие из, например, ветроэнергетических и солнечных установок, а также электрических и тепловых аккумуляторов энергии с тепловыми насосами. Исходя из этого лаборатория предложила комплексную систему тепло- и электрообеспечения автономных

объектов за счет комбинирования нетрадиционных источников энергии различных типов: ветровых энергетических установок, солнечных фотоэлектрической и водонагревательной установок, теплового насоса, электрических аккумуляторов и тепловых баков-аккумуляторов в различных сочетаниях. Разработана опытно-экспериментальная комбинированная система теплоснабжения с использованием солнечной установки, грунтового и водяного теплоаккумуляторов и тепловых насосов [3, 5].

Опыт создания солнечных водонагревательных установок позволил сотрудникам лаборатории совместно с архитектором П.А.Казанцевым (ДВГТУ) спроектировать комбинированную систему солнечного теплоснабжения индивидуального дома (рис. 2), которая сочетает пассивное накопление тепла в массивном блоке здания, освещаемом через окна, и активное теплоснабжение от солнечной водонагревательной установки с дублирующим источником энергии [4]. Как показал анализ баланса поступления тепла и тепловых потерь для этого объекта, среднегодовой вклад солнечной энергии в его теплоснабжение с учетом горячего водоснабжения (300 л/сут) может составлять до 75%. Компенсация недостающей отопительной нагрузки производится за счет дублирующего источника. При применении рекуперации теплоты в системе вентиляции здания доля солнечной энергии в тепловых потребностях объекта может достигать 95%. Разработка солнечного дома предложена к реализации на юге Приморского края.

Рис. 1. Энергополе солнечных коллекторов коттеджного поселка Золотая Долина

Рис. 2. Экодом Solar-5M с гелиосистемой теплоснабжения и солнечными фотоэлектрическими модулями

Как наиболее перспективная рассматривается схема комбинированной солнечно-теплонасосной системы для теплоснабжения объектов, имеющей возможность длительного аккумулирования тепловой энергии: в неотапливаемый период года энергия от СВНУ поступает в бак-аккумулятор, обеспечивая систему ГВС, а избыточная тепловая энергия запасается в аккумуляторе длительного хранения теплоты (рис. 3). В зимний период, чтобы компенсировать тепловые потери объекта, недостающая тепловая энергия при помощи теплонасосной установки перекачивается из теплового аккумулятора в промежуточный бак-аккумулятор. При нехватке теплоэнергии или отказе одной из систем подключается дублирующий источник.

Блок-схема комбинированной солнечной системы теплоснабжения с сезонным аккумулированием теплоты для работы в летний период, когда тепловая мощность СВНУ избыточна, и при недостатке тепловой мощности для теплоснабжения объекта зимой представлена на рис. 4.

Экономическая оценка различных схем теплоснабжения показывает, что ежегодные затраты на теплоснабжение СВНУ с тепловым насосом и длительным аккумулированием тепловой энергии составляют 56 руб. / МДж, тогда как стоимость тепловой энергии от электробойлера - более 450 руб. / МДж.

Для контроля и управления работой экспериментальной солнечно-теплонасосной установки теплоснабжения разработана одноуровневая автоматизированная система управления, основанная на концепции SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Она включает в себя датчики, систему сбора данных, вычислительные комплексы и исполнительные механизмы.

Центральным устройством управления и обработки является программируемый логический контроллер (ПЛК), выполняющий следующие функции: сбор и обработку информации с датчиков температуры, расходомеров, солнечной радиации и т.д.; управление электроприводами исполнительных механизмов; обеспечение связи с сервером обработки и хранения информации под управлением системы «Master SCADA».

Операторская панель, реализующая человеко-машинный интерфейс получения данных в реальном времени, настройки и управления всем технологическим процессом, подключена к ПЛК по последовательному каналу связи RS-232. Экспериментальная установка управляется несколькими программными регуляторами.

Рис. 3. Доля СВНУ в замещении тепловой нагрузки автономного объекта (г. Владивосток) в зависимости от площади солнечных коллекторов [3]

W00 -і

izziOSu*» тепговыс потери сзгвс

К&Т'ЧҐМЄС

Месяц

Рис. 4. Принципиальная схема опытно-экспериментальной комбинированной системы теплоснабжения: 1 - солнечные коллекторы, 2-8 - циркуляционные насосы; 9-12 - трехходовые клапаны; 13, 14 - термостатические трехходовые клапаны; 15 - входная буферная емкость; 16 - выходная буферная емкость; 17 - бак-аккумулятор горячего водоснабжения; 18 - тепловой насос; 19 - «теплый пол»; 20 - фанкойл; 21-30 - датчики температуры; 31 - грунтовый теплообменник

Основные технические параметры установки: площадь солнечных коллекторов 15 м2; тепловая мощность теплового насоса 10 кВт; тепловая мощность комбинированной установки 15 кВт; среднегодовая эффективность солнечных коллекторов 0,40-0,50; коэффициент преобразования теплового насоса 3,0-3,5.

При совместном использовании теплового насоса и СВНУ достигается значительный технико-экономический эффект, снижаются капитальные вложения на изготовление грунтового теплообменника, повышаются технические характеристики комбинированной установки и ее надежность.

В среднем (за отопительный период) вклад солнечной энергии в теплоснабжении объекта (с учетом ГВС 180 л/сут) может составить до 50%, а недостающая часть компенсируется дублирующим источником.

В ближайшее время намечено подготовить новые проекты комбинированных гелиосистем с тепловыми насосами и исследовать эффективность таких установок. Также разрабатывается гелиоустановка мощностью 0,5—1,0 МВт для теплоснабжения промышленных предприятий.

Объективно в регионе следует ожидать существенного роста заказов на гелиотехнику в ближайшие 10-15 лет. Будут наиболее востребованы установки альтернативного солнечного теплоснабжения для индивидуальных домов, таун-хаузов и пригородных коттеджных поселков.

К настоящему моменту в субъектах Дальневосточного региона утверждаются целевые программы энергосбережения и повышения энергоэффективности. Готовящиеся нормативные акты позволяют финансировать разработку прогрессивных технологий на основе возобновляемых источников энергии из федерального, краевого и муниципального бюджетов. В этом случае появится возможность более активно внедрять гелиосистемы, в том числе с тепловыми насосами, на социальных и промышленных объектах.

Важной научно-производственной задачей станет создание в Дальневосточном регионе демонстрационного полигона энергетических установок на базе возобновляемых источников энергии, единого центра сервисного обслуживания и удаленного мониторинга создаваемых гелиоустановок. Это позволит привлечь внимание потребителей к новейшим достижениям возобновляемой энергетики, дополнительно повысить эффективность гелиосистем за счет более качественного обслуживания и своевременного диагностирования неисправностей.

1. Волков А.В. Энергия Солнца - перспективный источник энергии для теплоснабжения южной части Дальневосточного региона // Проблемы интеграции малых городов российского Дальнего Востока в экономическое пространство АТР: материалы междунар. науч.-практ. конф. / под ред. В.А.Осипова. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та: Изд-во ДВГТУ: Большекаменский ин-т экономики и технологий (филиал), 2009. С. 195-203.

2. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Использование солнечной энергии в Приморском крае // Вестн. ДВО РАН. 2001. № 5. С. 92-98.

3. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Использование тепловых насосов для теплоснабжения прибрежных объектов // Материалы междунар. науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана», 14-17 сент. 2005, Владивосток. Владивосток: Дальнаука, 2005. С. 293-298.

4. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В., Казанцев П.А. Солнечный дом для прибрежных территорий Приморского края // Материалы науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана», 2-5 окт. 2007, Владивосток. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 489-493.

5. Слесаренко В.В., Княжев В.В. Энергоснабжение с использованием возобновляемых источников энергии в Приморском крае // Відновлювана енергетика XXI століття: материалы 10-й юбилейной междунар. науч. конф., 14-18 сент. 2009 / Ин-т возобновляемой энергетики НАН Украины. Николаевка: Крым, 2009. С. 115-118.

Новые книги

Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. Содержание органического углерода и энергозапасы в почвах природных и агрогенных ландшафтов юга Дальнего Востока России: оценка и методы индикации.

Purtova L.N., Kostenkov N.M. Content of organic carbon and energy reserves in soils of natural and agricultural landscapes in the South Far East оf Russia: аn estimation and methods of indication.

Владивосток: Дальнаука, 2009. - 124 с. - ISBN 978-5-8044-0978-5.

Биолого-почвенный институт ДВО РАН

690022, Владивосток, просп. 100-летия Владивостока, 159

Тел. (4232) 31-04-10; 31-07-18. E-mail: ibss@eastnet.febras.ru

Рассмотрены основные вопросы энергетики почвообразования в почвах горных и равнинных территорий юга Дальнего Востока (на примере Приморского края). Установлены различия в энергетических параметрах формирования почв природных и агрогенных ландшафтов различных физико-географических областей и гидротермических провинций. Рассчитаны энергозапасы, связанные с содержанием органического углерода почв, и установлена их связь с системой гумусовых веществ. Проведены типизация гумусовых профилей почв горных и равнинных территорий и оценка их энергозапасов. Предложены показатели для индикации энергетических запасов почв.

Для почвоведов, географов, экологов, лесоведов, а также студентов соответствующих специальностей.

The key questions concerning the soil - forming energy of mountain and plain territories of the south Far East (on Primorye Territory example) ате described. ^e distinctions in energetic раrameters of the soil formation in the natural and agricultural landscapes of the various physical-geographical areas and hydrothermal provinces have Ьєєп revealed. The energy reserves, connected with the contents of organic сагї^ soils аге designed, and their connection with the system of humic substances is established. Typification of humic profiles of the soils in mountain and plain territories and estimation of their energy reserves is carried out. The parameters for indication of energy stocks аге proposed.

The book is intended tor the soil scientists, geographers, ecologists, forestry specialists and students.