Комбинированные ветро-аккумулирующие установки систем эффективного теплоснабжения в составе котельных

Комбинированные ветро-аккумулирующие установки систем эффективного теплоснабжения в составе котельных.

Бежан Алексей Владимирович,

Центр физико-технических проблем энергетики Севера

Кольского научного центра РАН, г. Апатиты

В настоящее время, во многих регионах России, существуют проблемы с качеством и количеством электроэнергии доходящей до конечного потребителя. Это и плановые отключения, и перебои в централизованном электроснабжении промышленных объектов и жилищно-коммунального хозяйства, вызванные как изношенностью электрооборудования, так и разного рода авариями, бурное строительство дач и коттеджей, сложность в их электрификации заставляют вновь и вновь обращать внимание на нетрадиционные источники энергии (НИЭ). Особый интерес среди них представляют ветроэнергетические установки (ВЭУ), солнечные батареи, микро гидроэлектростанции, термогенераторы и др. Каждый из этих источников при грамотном использовании его возможностей и свойств, может и должен найти свое применение. Для России НИЭ имеют особое значение, поскольку, они решают энергетические проблемы потребителей, находящихся в зоне децентрализованного энергоснабжения (удаленные и северные районы, а также строящиеся дачные поселки, садовые участки, гаражи и т. п.), обеспечивая при этом значительную экономию завозимого топлива.

Ресурсы для возобновляемых источников энергии имеются практически во всех регионах страны. Одним из самых развитых НИЭ, позволяющим получить энергию в зоне устойчивых ветров являются ВЭУ. Наличие надежных, малогабаритных и дешевых ВЭУ позволило бы снять бытовые и социальные проблемы во многих регионах РФ.

Для каких же целей необходима, в первую очередь, энергия? Прежде всего, для освещения; отопления; электропитания радиоаппаратуры, холодильника, телевизора, электробритвы, стиральной машины, электродрели и других электробытовых приборов, обеспечивающих комфортные условия жизни человека и, конечно, для водоснабжения.

Теплоснабжение с участием ВЭУ.

Ветер как энергетический источник обладает большой изменчивостью и его режимы заранее предсказать невозможно. Поэтому с экономической и технической точек зрения целесообразно применение комбинированных ветро-аккумулирующих систем + котельных. Рассмотрим комплекс ВЭУ в соединении с котельной для локального, независимого теплоснабжения. ВЭУ служат основным источником энергии, котельная — вспомогательным. В этом случае теплоснабжение осуществляется для потребителей, которые удалены от централизованных теплосетей. При разумном экономичном подключении нагрузки, включая котельную всего несколько часов в день, а то и вовсе не включая ее, объект обеспечивается круглосуточным теплом.

Как правило, традиционно задача теплоснабжения в таких случаях решается путем применения автономных котельных, следовательно, требующих больших затрат на топливо, его доставку и хранение. Применение ВЭУ позволяет существенно сэкономить топливо, поскольку при достаточном ветре котельная останавливается полностью и теплоснабжение осуществляется с помощью ВЭУ.

Преимущества комплекса ВЭУ + котельная:

Экономия топлива в местах с хорошим ветроресурсом.

Возможность увеличения нагрузки.

Возможность продажи энергии другим потребителям.

Для систем «ветро-дизель» европейские компании разработали компьютеризированное устройство, распределяющее нагрузку между ВЭУ и дизелем. Уже есть оборудование, позволяющее всего за две секунды отключить дизель или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизелей и экономится до 67% топлива в год [1]. В России к 2015 году прогнозируется построить ВЭУ суммарной мощностью от 10 МВт (минимальный вариант) до 100 МВт (максимальный вариант) с соответствующей годовой экономией топлива (мазута, газа) от 10 до 105 тыс. т у. т. [2].

Рассмотрим совместную работу ВЭУ и котельной в теплоснабжении потребителя (ветроэнергетический полигон Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН на побережье Баренцева моря в пос. Дальние Зеленцы (рис. 1)).

Рис. 1. График покрытия отопительной нагрузки: 1 — полезно используемая энергия ВЭУ; 2 — избыточная энергия ВЭУ, которая может запасаться в аккумулирующих устройствах; 3 — энергия, вырабатываемая котельной.

Рисунок изображен для случая, когда мощность ВЭУ и котельной равны. Здесь часть отопительной нагрузки будет покрываться от ВЭУ, а остальная от котельной. На деле редко, чтобы выдаваемая мощность со стороны ВЭУ точно совпадала с потребностью со стороны потребителя. Обычно происходит так. В периоды с сильным ветром ВЭУ может в значительной мере или полностью обеспечить потребителя теплом, а иногда даже создать избыток энергии. На рисунке это характеризуется площадью фигур 1 и 2 соответственно. Зато в периоды холодной маловетреной погоды почти вся нагрузка ложится на котельную. Этот случай характеризуется площадью фигуры 3.

Применение ВЭУ (площадь фигуры 1) позволяет существенно снизить затраты на котельную и обеспечивает эффективное использование энергии как с точки зрения энергосбережения так и с экономической стороны. Экономия энергии для удаленных или изолированных потребителей оправдана с учетом сложившихся условий (труднодоступные районы, плохие транспортные связи и др.).

В конечном счете это способствует снижению суммарных затрат и стоимости вырабатываемой энергии.

Для выбора необходимой мощности как ВЭУ, так и котельной необходимо определить потребляемую электроприборами мощность и потребность в тепловой энергии для отопления конкретных объектов, зданий.

Каждый электроприбор потребляет определенную мощность (табл. 1), суммировав мощности нетрудно посчитать необходимую энергию для бытовых нужд.

Таблица 1. Мощность, потребляемая электроприборами.

Потребность здания в тепловой энергии определяется выражением [3]:

Q=q•k_v• (t_в — t_н), (1).

где q — удельная тепловая характеристика здания, Вт/м³•град; k_v — коэффициент, учитывающий рост теплопотерь от ветра; t_в и t_н — внутренняя и наружная температура воздуха, ?С.

Далее, используя формулу (1), определим расход топлива (для 1 м³ жилого здания) на обеспечение тепловой нагрузки. Удельные тепловые потери составляют: q = 0,5 Вт/мі· град; коэффициент, учитывающий увеличение теплопотерь здания от скорости ветра: k_{v =} 1,45; перепад внутренней и наружной температур: Дt = t_в — t_н.

С учетом перепада внутренней и наружной температур, получим график потребляемой энергии (рис. 2).

Рис. 2. График выработки энергии, необходимой для поддержания постоянного уровня температуры воздуха в помещении Котельные могут работать на разных видах топлива (природный газ, каменный уголь, мазут), а теплотворная способность их различна. Поэтому в зависимости от того, какое топливо используется, и будет определяться, на сколько экономично использование ВЭУ. Наглядно это продемонстрировано на рис. 3, кривые 1,2,3.

Рис. 3. Экономия топлива за счет использования ВЭУ (графики 1,2,3) и системы ВЭУ + аккумулятор (графики 4,5,6).1,4 — уголь; 2,5 — природный газ; 3,6 — мазут.

Применение аккумуляторов в системах теплоснабжения с участием ВЭУ.

Эффект от использования энергии ветра на нужды отопления может быть повышен за счет применения аккумулирующих устройств, которые позволяют не сбрасывать вхолостую появляющиеся периодически избытки ветровой энергии (на рис. 1 это фигура 2), а запасать их и в нужное время полезно использовать. При применении аккумулирующих устройств повышается экономичность использования систем ВЭУ + аккумулятор за счет более эффективного и разумного расходования энергии. На рис. 3 — это кривые 4,5,6.

Для выравнивания непостоянной во времени энергии ветра можно использовать тепловое, пневматическое, гидравлическое, электромеханическое и другие виды аккумулирования.

С помощью аккумулирующих устройств могут решаться различные задачи:

• 1. Выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает ВЭУ в условиях постоянно изменяющейся скорости ветра.
• 2. Питание потребителя энергией в периоды, когда ВЭУ не работает или его мощности не хватает для обеспечения всей присоединенной нагрузки.
• 3. Полезное использование всей выработки ВЭУ.
• 4. Выдача большой мощности в течение короткого промежутка времени.

Для аккумуляции выработанной ВЭУ энергии (мощность ВЭУ от 3 до 15 кВт) в настоящее время применяются автомобильные аккумуляторные батареи (АБ) напряжением 12 В [4]. При большом количестве АБ используется их последовательно — параллельное соединение (рис.4). Емкость системы АБ подбирается с учетом необходимости запасать то или иное количество энергии (табл. 2). Не так давно появились очень качественные автомобильные аккумуляторы с большими сроками службы, не нуждающиеся в обслуживании (герметичные), способные развивать гигантские пусковые токи (от 700 А) [5].

Рис. 4. Соединение аккумуляторных батарей: а) — параллельное (общая емкость 180 А•ч); б) — последовательное (общая емкость 90 А· ч).

Таблица 2. Ориентировочное время непрерывной работы аккумуляторов на различные нагрузки.

Для зарядки АБ можно использовать производимые в России ВЭУ с генератором постоянного тока напряжением 12−110 В, которые заряжают буферные батареи (в последнее время — гелиевые) емкостью от 200 до 800 А•ч. Зарядка осуществляется через контроллер, который выдает зарядный ток даже тогда, когда выходное напряжение генератора намного меньше напряжения батарей. Далее ток проходит через инвертор, производящий на выходе сетевое напряжение 220 В [1].

Необходимо отметить еще один критерий, определяющий целесообразность применения накопителей энергии (аккумуляторов). При мощностях системы бесперебойного питания до 10 кВт, и если от системы требуется относительно небольшое время автономной работы, аккумуляторная батарея оказывается дешевле котельной. Если мощность или время автономной работы велики, то емкость и стоимость аккумулятора становится очень большой, и оказывается выгоднее применять котельную установку. Граница, определяющая экономичность применения аккумулятора, либо котельной изображена в виде кривой зависимости на рис. 5.

Рис. 5. График, помогающий оценить границу, при которой цена котельной становится равной цене аккумулятора

Использование АБ в системах бесперебойного теплоснабжения изолированных потребителей связано с большими затратами на приобретение этих АБ. Кроме этого срок эксплуатации таких аккумуляторов небольшой, что потребует дополнительных затрат на замену. Поэтому целесообразно использовать водяные баки аккумуляторы в составе с ВЭУ для теплоснабжения потребителей.

Вода является дешевым, легкодоступным и весьма удобным в практическом отношении веществом, способным аккумулировать даже небольшие количества тепла. В таком аккумуляторе энергия вводится и выводится путем переноса самой аккумулирующей среды, что исключает все перепады температур между переносящей тепло жидкостью и аккумулирующей средой.

Экономическая оценка показателей применения водяного аккумулятора тепла (ВАТ) в составе системы теплоснабжения для определения оптимальной емкости.

Оптимальная емкость аккумулятора зависит от ожидаемого режима ветра, характера предполагаемых нагрузок, требуемой надежности процесса, способа снабжения дополнительной энергией и результатов экономического анализа, определяющего, какая часть от общей (обычно годовой) нагрузки должна быть обеспечена за счет ВЭУ и какая за счет котельной.

Как уже говорилось, теплоснабжение потребителя обеспечивается совместной работой ВЭУ и котельной. В маловетреные периоды для повышения использования энергии ветра можно использовать ВАТ. Емкость ВАТ нужно выбирать, исходя из длительности и повторяемости этих периодов.

Зная величину суточного потребления энергии и возможные по ветровому графику суточные выработки ВЭУ за расчетный период, можно определить емкость ВАТ при разной степени обеспеченности теплоснабжения путем составления балансов суточной выработки и потребления энергии на каждые календарные сутки этого периода.

Суточная выработка ВЭУ может быть вычислена по формуле [6]:

(2).

где D — диаметр ветроколеса, м; - среднесуточная скорость ветра, м/с; - значения коэффициента использования энергии ветра и К.П.Д. редуктора и генератора.

Разница между возможной выработкой ВЭУ и суточным потреблением будет определять необходимую емкость ВАТ:

(3).

Общая емкость ВАТ определяется числом суток n, в течение которых ВАТ должен питать нагрузку и выражается произведением .

Расчет параметров ВЭУ при определении выработки ведется в следующем порядке:

• 1. По данным потребителя подсчитываются среднесуточные нагрузки и суточное потребление .
• 2. По формуле (2) подсчитываются значения возможной выработки ВЭУ.
• 3. Для разных емкостей ВАТ от нулевой до семи — восьмисуточной подсчитываются для каждых суток балансы выработки и потребления энергии с учетом аккумулирования.

Далее проводится подсчет стоимости сооружения ВЭУ и ВАТ, а также себестоимости энергии при заданной степени обеспеченности теплоснабжения для вариантов с ВАТ и без него, и строится кривая зависимости стоимости энергии от емкости ВАТ. Выбирается вариант наименьшей стоимости энергии.

Расчеты проводились применительно к ветрополигону КНЦ РАН (поселок Дальние Зеленцы, Мурманской области), где мощность котельной установки и ВЭУ принимались равными 15 кВт, а тариф на теплоснабжение был взят равным 5500 руб/т у. т. ВАТ представляет собой резервуар, стоимость которого возрастает с увеличением емкости, а затраты на топливо сокращаются. Суммируя эти составляющие, получается кривая зависимости стоимости энергии от емкости ВАТ (рис.6). Из графика видно, что минимум стоимости энергии достигается для трех — суточного ВАТ, представляющего собой емкость объемом 13 м³.

теплоснабжение котельная аккумулятор энергия.

Рис. 6. График, характеризующий минимум затрат для ВАТ, в зависимости от объема При определении стоимостных показателей применения ВАТ также важным является вопрос об окупаемости вкладываемых в его сооружение средств.

Были рассмотрены 5 вариантов ВАТ, в зависимости от их объема (рис. 7). Из рисунка видно, что при эксплуатации ВАТ, рассчитанного на сутки, и через 20 лет окупаемость инвестиций не наступит, что свидетельствует об убыточности мероприятия (рис. 7, кривая 1). Положительный результат, при котором инвестор начинает получать прибыль, начинается с использования ВАТ, рассчитанного на двое суток и более. Но при эксплуатации 2-х суточного ВАТ окупаемость проекта наступит только через 15 лет, а прибыль будет невелика (рис. 7, кривая 2). Поэтому целесообразней будет использовать 3-х суточный ВАТ (рис. 7, кривая 3) при данных мощностях котельной и ВЭУ, т.к. с увеличением емкости ВАТ возрастают и тепловые потери в окружающую среду, а также начальные инвестиции, которые в случае отсутствия собственных средств придется заимствовать в банке под определенный процент.

Рис. 7. Формирование чистого дисконтированного дохода за годы работы водяного аккумулятора тепла (ВАТ): кривые 1, 2, 3, 4, 5 — ВАТ соответственно с запасом энергии на сутки, двое, трое и т.д., и емкостями объемом 4, 9, 13, 18, 22 м³

Проделанная оценка стоимостных показателей свидетельствует об эффективности предлагаемого трех — суточного ВАТ для системы теплоснабжения с участием ВЭУ.

Применение ВАТ позволяет более полно использовать ветровую энергию, значительно сократить время работы резервной котельной и обеспечить тем самым большую экономию топлива. Благодаря аккумулированию участие ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки возрастают на 5−12% в зимние месяцы и на 23−29% - в летние [6]. Это позволяет снизить материальные затраты на обеспечение потребителя тепловой энергией.

• 1. Солоницын А. Второе пришествие ветроэнергетики // Наука и жизнь. — 2004. — № 3.
• 2. Голицын М. В., Голицын А. М., Пронина Н. В.; Отв. ред. Голицын Г. С. Альтернативные энергоносители. — М.: Наука, 2004. — 159 с.
• 3. Энергия ветра — перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области. Препринт / Минин В. А., Дмитриев Г. С., Иванова Е. А., Морошкина Т. Н., Никифорова Г. В., Бежан А. В. — Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2006. — 73 с.
• 4. Мельников Р. А. Рекомендации по подбору аккумуляторных батарей — источник: http://www.invertor.ru/akb. htm.
• 5. Занятнов Д., Жаров А. Электричество без перебоев всегда и везде // Обустройство и ремонт — 2003. — № 16.
• 6. Оценка ресурсов и эффективности использования энергии ветра, малых рек и других возобновляемых источников энергии в районах европейского Севера / Перспективы энергоснабжения изолированных потребителей севера с использованием энергии ветра и малых рек: Отчет о НИР / ИФТПЭС КНЦ РАН; Руководитель В. А. Минин. — Апатиты, 1993. — 107 с.