Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии туристической базы пансионата «Колос»

Введение

Во все времена для обеспечения своей жизнедеятельности, удовлетворения различных потребностей человек создавал, совершенствовал и развивал различные виды производства. Изобретение топливных двигателей, а затем и электрических машин, явилось в свое время значительным событием в развитии энергетики. Оно определило и современное состояние электроэнергетики, в основе которой лежат тепловые электростанции, работающие на различном ископаемом топливе.

Но в последнее время, когда казалось, что перспективы традиционной энергетики на ископаемом топливе достаточно устойчивы, в нарастающем темпе стали проявляться ее негативные стороны — загрязнение окружающей среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов угля, нефти, газа. Так, по данным ЮНЕСКО /16/, при сохранении существующих тенденций потребления мировых запасов ископаемого топлива хватит на 40 — 100 лет.

Естественно, что человечество попыталось среагировать на появляющиеся проблемы и было выдвинуто ряд решений по их преодолению. В частности, были найдены возможности использования термоядерных реакций, которые могут обеспечить человечество энергией на многие тысячелетия. Однако, экологические проблемы при этом не снимаются, а наоборот, еще более обостряются из-за необходимости хранения радиоактивных отходов и возможности аварий атомных электростанций. Таким образом, можно полагать, что освоение атомной энергии не устраняет проблем энергообеспечения.

В настоящее время во многих странах Мира (в том числе развитых и обладающих атомной энергией) все большее внимание уделяется возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), при этом исследуются возможности использования энергии Солнца, ветра, рек, приливов биотоплива и др. ВИЭ находятся в природе в естественном состоянии, поэтому не создают экологических проблем, и в силу своей возобновляемости являются неисчерпаемыми. Однако, применение ВИЭ для энергоснабжения различных объектов в настоящее время тоже в некоторой степени является проблематичным.

Так, для некоторых ВИЭ характерно непостоянство мощности во времени. Причем график изменения мощности ВИЭ может не совпадать с графиком потребности в энергии (проблема несовпадения).

Кроме того, в настоящее время капитальные затраты на сооружение энергоустановок на основе ВИЭ превышают капитальные затраты на энергоустановки на ископаемом топливе (проблема стоимости). Существуют и еще менее значительные проблемы, связанные в основном с конструкцией энергоустановок на ВИЭ.

Однако, все эти проблемы не являются принципиально неустранимыми, а порождены, на наш взгляд, недостаточной разработкой вопросов использования ВИЭ. Разнообразие ВИЭ, современные достижения науки и техники в области электротехники (включая аккумулирование и повышение к.п.д. электроприемников), а также непрерывный рост стоимости традиционной энергии на фоне снижения стоимости энергоустановок на ВИЭ дают основания надеяться на успешное преодоление основных проблем их использования.

Наиболее крупным потребителем горячей воды является животноводство, которое занимает ведущее место в АПК России по потреблению энергетических ресурсов (18−22% топлива и электрической энергии от всех энергоресурсов, используемых на производственные цели в сельском хозяйстве).

Системы гелионагрева широко используют для горячего водоснабжения и обогрева на фермах, теплицах, теплоснабжения низкотемпературных производственных и бытовых процессов, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды. Это обусловлено тем, что/9/:

— потребность в низкопотенциальной тепловой энергии составляет 30−45% от общего энергопотребления в сельском хозяйстве;

— для выполнения многих производственных и бытовых операций и процессов на объектах животноводства, как правило, необходимы низкотемпературные (до плюс 65 °С) теплоносители в виде жидкости (обычно воды) или воздуха;

— низкотемпературные гелионагреватели имеют достаточно высокий коэффициент преобразования энергии (0,3−0,75), просты по конструкции, могут функционировать без концентраторов и систем непрерывной ориентации и оказывает минимальное воздействие на окружающую среду.

Использование солнечной энергии для теплоснабжения позволит/9/:

— замещать от 20 до 60% тепловой нагрузки объектов сельского хозяйства в зависимости от климатического расположения;

— исключить затраты на доставку органического топлива (что важно для удаленных потребителей);

— предотвратить загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ туристической базы пансионата «Колос».

1. Производственно-хозяйственная характеристика объекта проектирования «Гостевой Дом» пансионат «Колос»

1.1 Общая характеристика объекта проектирования

Проектом предусматривается строительство 2-х этажного деревянного гостевого дома для отдыха. Помещения гостевого дома состоят: из спальных номеров на 11 посетителей; комнаты кастелянши; общей комнаты отдыха; бильярдной; сауны и бассейна.

Функции помещении гостевого дома — оздоровительные: отдых, психологическая разгрузка, восстановление сил. Помещения оснащены специальным оборудованием — как санитарным так и технологическим.

Площадь первого этажа 137,21 м².

Площадь второго этажа 143,32 м².

Общая площадь помещения дома 280,53 м².

Из них площадь спальных

номеров 101,4Зм² .

Площадь помещения общего

пользования 179,10 м²

Помещение имеет два главных входа они же являются и аварийными выходами, дополнительный аварийный выход предусмотрен из помещении сауны и бассейна.

Освещение — электрическое централизованное.

Окна — стеклопакеты по ГОСТ 16 289–86.

Двери (наружные) — двери главного входа из металлопластика.

ГОСТ 26 689–81.

Двери (внутренние) — по Гост-26 689−81;

Балконные двери — по Гост- 16 289−86.

Водопровод — питание от скважины.(в подвале.)

Канализация — самотечная, в выгреб.

Горячая вода — водонагреватели.

Отопление — автономное от котельной.

Режим роботы — круглосуточно.

Состав персонала — 1 человек.

Сан. день — последний день недели.

Исходные данные для проектирования:

Расчетная температура воздуха -37⁰С;

Скоростной напор ветра 38 кгс/м²;

Вес снегового покрова 50 кгс/м²;

Расчетная сейсмичность 8 баллов.

1.2 Потребляемая мощность электроэнергии

Энергия, потребляемая пансионатом «Колос», расходуется на обогрев, освещение и приведение в действие различных электроприемников. Для обогрева традиционно используется ископаемое твердое или газообразное топливо, реже жидкое топливо. Применение для этих целей электроэнергии скорее является анахронизмом, нежели перспективным направлением.

Если исключить из рассмотрения обогрев, то остальные потребители являются электрическими и требуют электроэнергии. В этой связи, для проектирования электроснабжения необходимо иметь информацию о графиках электропотребления или изменении потребляемой мощности. В таблице 1.1. приведены нагрузки по объектам пансионата «Колос».

Таблица 1.1. Перечень имеющейся установленной мощности по объектам пансионата «Колос»

В руководящих указаниях по проектированию электроснабжения /28/ приведены данные о максимальной нагрузке на вводе в сельский жилой дом, которая составляет 1,5…7,5 кВт в зависимости от наличия газификации местности и уклада жизни. Однако, данных об изменении нагрузки в течение суток не приводится. В то же время, из-за того, что графики поступления энергии от ВИЭ неуправляемы человеком, для выбора варианта электроснабжения необходимо знать графики потребления электроэнергии.

Но так как рассчитываемый «Гостевой дом», является частью базы туристического отдыха, его основные нагрузки приходятся на летне-осенний период, а мощность ТП расходуется в основном на освещение. В таблице 1.2. приведен перечень осветительного и силового оборудования используемого в доме.

Таблица 1.2. Перечень силового и осветительного оборудования

Щиток ШР1 запитывается от существующего ВРУ. Учет выполняется электронным счетчиком 'Меркурии 230'

Установленная мощность 22,8 кВт, расчетная мощность 18,53 кВт, напряжение сети 380/220 В.

Силовыми токоприемниками является сауна проводка осуществляется кабелем ВВГнг — LS проложенным в стене.

Электроосвещение выполнено люминесцентными лампами и лампами накаливания.

В проекте дома предусматривается устройство наружного контура заземления. Заземляющий контур состоит из двух вертикальных электродов, длиной по 3 м каждый, соединенных (сваркой) между собой круглой сталью. К третьей нулевой жиле кабеля подключены наружный контур заземления, металлические корпуса светильников, щитков, третьи защитные контакты штепсельных розеток.

1.3 Обоснование проекта

Организованный туризм имеет большое значение для развития Байкальского региона, особенно в силу объявления его особой рекреационной зоной. Перед республикой стоит задача создать комфортные условия для отдыхающих, а именно обеспечить устойчивое энергоснабжение. Но осуществлять это надо с учетом того, что оз. Байкал относится к участку мирового наследия, по этому использование для энергоснабжения традиционных источников энергии, несущих негативное воздействие на экологическую обстановку в регионе просто недопустимо. Единственным рациональным выходом из данной ситуации служит использование экологически чистых возобновляемых источников энергии — солнца и ветра. К тому же Байкальский регион является перспективным для использования установок на основе ВИЭ.

В дипломном проекте предложено внедрить в пансионате «Колос» фото-ветро установку, пассивную солнечную систему и гелиосистему, для автономного энергоснабжение гостевого дома.

Ни для кого не секрет, что цены на тепловую и электрическую энергию с каждым годом будут только повышаться, а ресурсов становиться все меньше, поэтому направление данной дипломной работы является перспективным и актуальным в сложившейся ситуации, а внедрение экологически чистых, энергоэффективных установок на основе ВИЭ позволит не только значительно снизить затраты на традиционное топливо и электроэнергию, но и получать экологически чистую энергию, сохраняя природу Байкальского региона.

2. Обзор экологически чистых энергопассивных домов

Солнечное теплоснабжение в жилищно-коммунальной и производственной сферах получило в мировой практике наибольшее распространение по сравнению с другими направлениями этого источника, является наиболее приемлемым по экономической эффективности и способно снизить энергопотребление в доме до 60% . В свое время в бывшем СССР было построено несколько десятков опытных индивидуальных жилых домов с различными системами солнечного теплоснабжения. Один из них был построен вблизи г. Ереван в 1981 г. / 18 /: с площадью застройки 89,4 м², годовой потребностью 112 ГДж тепла, солнечной двухконтурной системой с углом наклона коллекторов 60°. Опытная эксплуатация дома в течение 5 лет показала, что доля покрытий годовых потребностей дома за счет солнечной энергии составила 50−60%, или 2,8 т у.т. экономии тепла.

Представляет большой интерес опыт скандинавских стран в разработке «солнечных домов», а также стран северных широт от 50° до 60^е с.ш. — Великобритании, Дании, Швеции, Германии, Канады.

Так, в Великобритании первый дом с использованием солнечной энергии и теплового насоса для отопления помещения был построен в 1956 г. Кэртисом. Затем было построено здание, получившее наиболее широкую известность в Европе — приставка к школе Св. Георгия в г. Валласей ,

На этом примере доказали, что пассивный сбор солнечной энергии на имеющей двойное остекление, ориентированной на юг, стене большой площади может обеспечить по меньшей мере 30% общей потребности в отоплении.

Из устройств с пассивным сбором солнечной энергии широко известна стена Тромба-Мишеля. Первый «солнечный» дом по проекту Ж. Мишеля и Ф. Тромба был построен в Шовенси-ле-Шанто в 1972 г. (49° 10' с.ш.), а с 1973 г. на Парижской ярмарке представлялись уже различные типы домов с солнечным отоплением.

В бывшей ФРГ первый солнечный дом был построен научно-исследовательской лабораторией Филиппе в 1975 г. в Аахене (50°30' с.ш.) и в этом же году был построен дом, обеспечиваемый солнечной энергией в Копенгагене, Дания (55°43' с.ш.) .

Солнечный дом в Южной Германии (Драмштат-Кранинхтейн) является одним из первых домов в Средней Европе, энергоснабжение которого обеспечивается только за счет солнечной энергии. Хотя интенсивность солнечной радиации в Германии составляет 1000 кВт/ ч/м² в год, знаменитому Научно-исследовательскому институту Солнечной энергетики им. Фраунгофера удалось реализовать идею создания самодостаточного солнечного дома площадью 145 м² за счет: современной прозрачной изоляции, энергоэффективных солнечных коллекторов и батарей, повторного использования и сезонного аккумулирования тепла и энергосберегающей бытовой техники. Сезонное хранение энергии обеспечивается за счет запаса сжатого водорода и кислорода, получаемых электролизом воды. Электрообеспечение дома и электролиз воды осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Таким образом, удалось снизить потребление тепла в год на отопление на 1 м² до 9,3 кВт*ч, тогда как в жилых домах Германии расходуется 250 кВт*ч/'м².

Современные проекты энергоэффективных жилых домов с использованием солнечной энергии для условий Сибири приведены в /9/, и по мнению специалистов, даже в условиях северных регионов за счет возведения двойной оболочки здания с использованием солнечной энергии можно обеспечить до 40% экономии тепла.

Учитывая развитие технологий возобновляемой энергетики, с должной долей уверенности можно сказать о реальной возможности создания эффективной системы энергоснабжения удаленных от центральной энергосети сельских домов при условии комбинированного использования энергии солнца, ветра и биомассы, говорится в /18/ и здесь же предлагается рациональная схема энергоснабжения автономного сельского жилища.

Специалисты Швеции, приступив к массовому внедрению систем теплоснабжения с использованием солнечной энергии, пришли к выводу о необходимости создания в северных широтах аккумуляторов, способных накопить летом большое количество солнечного тепла и сохранить его на зимний холодный период. В связи с тем, что относительная стоимость теплоизоляции уменьшается при увеличении объема хранения, предлагается создание теплохранилищ на группу зданий или поселок, т. е. создание централизованного теплоснабжения с обслуживанием всей системы специалистами, что повышает надежность ее работы и эффективность.

В 1971 г. впервые в Канаде инженер-электрик Э. Хоффман оборудовал свой дом воздушной системой отопления с солнечными коллекторами, эта система обеспечила 50% нагрев воздуха для отопления и потребности в горячей воде. Затем интересные архитектурно-конструктивные решения применил инженер Грет Аллен в 1974 г. в штате Онтарио. Дом рассчитан па 50% обеспечения энергией за счет солнца, тепло, вырабатываемое 18 м² СК, сохраняется в резервуарах с двумя тоннами парафина. В последующие годы было осуществлено строительство нескольких здании с утилизацией солнечной энергии (при финансовой поддержке Правительства Канады) — административные, торговые и жилые здания, причем основным направлением, как и в Швеции, является: пассивная утилизация солнечного тепла и строительство домов с малым потреблением энергии, создание специального оборудования для северных тепловых гелиосистем централизованного теплоснабжения зданий и поселков с аккумуляторами летнего солнечного тепла.

В то время как в России многие специалисты до сих пор воспринимают пассивные дома как фантастику, в США уже много лет проводится очный общенациональный студенческий конкурсу по проектированию и строительству энергопассивных домов.

Требования конкурса: мини-дома должны быть полностью автономными энергетически, причём — в любое время года. Это так называемые «дома нулевой энергии». В их конструкции необходимо по максимуму использовать экологически чистые, легко утилизируемые материалы из возобновимого сырья.

Дома должны генерировать достаточную мощность от Солнца, чтобы в них можно было спокойно включать стиральные и посудомоечные машины, компьютеры и телевизоры, и, разумеется, чтобы обеспечивать дом теплом, светом и вентиляцией.

В конкурсе 2005 года приняло участие 18 команд, построенные дома свозили в «Солнечную деревню», расположенную в Вашингтоне.

Дома оценивались по 10 дисциплинам: удобство для проживания, интерьер; проектная документация; коммуникации; климатический комфорт; приборы, оснащение; горячая вода; освещение; общий баланс энергии; и энергоэкспорт.

Анализируя вышеизложенное можно сказать, что Россия, имея огромный потенциал солнечной энергии, значительно отстает от ведущих стран запада в плане внедрения экологически чистых энергопассивных домов, финансирования и реализации проектов в данной области.

3. Анализ возобновляемых источников энергии

3.1 Солнечное излучение

После энергетического кризиса 1973 г. правительствами стран и частными компаниями были приняты экстренные меры по поиску новых видов энергетических ресурсов для получения электроэнергии. Таким источником в первую очередь стала солнечная энергия. Были разработаны параболо-цилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе концентраторов. Интересно, что в 1973 г. вскоре после начала нефтяного эмбарго был сконструирован плоский концентратор, явившийся успехом научной и инженерной мысли.

Это привело к созданию первых солнечных электростанций (СЭС) башенного типа. Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и параболо-цилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с уменьшенной стоимостью — системы модульного типа. Началось внедрение этих систем в Калифорнии фирмой Луз (Израиль). Были подписаны контракты с фирмой Эдисон на строительство в южной Калифорнии серии СЭС. В качестве теплоносителя использовалась вода, а полученный пар подавался к турбинам.

Первая СЭС, построенная в 1984 г., имела КПД 14,5%, а себестоимость производимой электроэнергии 29 центов/(кВт-ч). В 1994 г. фирма Луз реорганизована в компанию Солел, базирующуюся в Израиле, и продолжает успешно работать над созданием СЭС, ведет строительство СЭС мощностью 200 МВт/18/, а также разрабатывает новые системы аккумулирования энергии. В период между 1984 и 1990 г. фирмой Луз было построено девять СЭС общей мощностью 354 МВт. Последние СЭС, построенные фирмой Луз, производят электроэнергию по 13 центов/(кВт-ч) с перспективой снижения до 10 центов/(кВт*ч). Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, использовав слежение за Солнцем по двум осям и применив вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25^—30%. Стоимость получаемой электроэнергии составит 6 центов/(кВт-ч). Строительство первой экспериментальной установки с таким концентратором начато в 1994 г. а Австралийском национальном университете, мощность установки 2 МВт. Считают, что подобная система будет создана в США после 2000 г. и она позволит снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях строительство СЭС станет экономичным и конкурентоспособным по сравнению с ТЭС.

Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора. КПД таких установок может достигать 29%. Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.

В перспективе можно использовать для получения электроэнергии разность температуры слоев воды в океане, которая может достигать 20 °C. Станции на этой основе (ОТЭС) находятся в разработке. Первый вариант подобной установки мощностью 5 МВт проектируется в Израиле. Меньшие по мощности установки действуют в Австралии, Калифорнии и ряде других стран. Основная сложность перспективы их использования — низкая экономичность и как следствие отсутствие коммерческого интереса.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран израсходовали биллион долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и достигла 3,5−4,75 дол/Вт, а стоимость получаемой энергии 25−40 центов/(кВт/ч). Мировой объем производства с 6,5 МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60 МВт./р.и./

В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4 МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для бытовых целей.

Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на электрификацию 60тыс. домов с помощью фотосистем. Стоимость установки мощностью 50Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол.

В будущем стоимость ycтaновки для малых систем будет снижаться, например установки с люминесцентными лампами. В Кении в течение последних лет 20 тыс. домов электрифицировано с помощью фотосистем по сравнению с 17 тыс. домами, где за это же время введено централизованное электроснабжение. В Зимбабве за счет кредита в 7 млн. дол, выделенного в 1992 г., электрифицировано 20 тыс. домов в течение 5 лет. Мировым банком выделен кредит в 55 млн. дол. для электрификации 100 тыс. домов в Индии фотосистемами. В США стоимость 1 км распределительных электросетей составляет 13−33 тыс. дол. Контракт на установку мощностью 500 МВт, включающую электроснабжение дома, освещение, радио, телевидение и компьютер, составляет не менее 15 тыс. дол. (включая аккумуляторную батарею). Уже имеется 50 тыс. таких установок в городах и ежегодно строится около 8 тыс. установок. Среди индустриальных стран кроме США также лидируют в использовании фотосистем в домах Испания и Швейцария.

Если даже ежегодно в мире будет снабжаться фотосистемами 4 млн. домов (1% тех, что электрифицируются ежегодно), то общая установленная мощность фотосистем составит всего 200 МВт, что в 4 раза меньше мирового производства их в 1993 г. Если производство фотосистем достигнет ежегодно 1% общей продажи энергии в мире, то их производство по сравнению с современным уровнем должно возрасти десятикратно, а увеличение до 10% этой продажи приведет к стократному росту производства фотосистем.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3−5 раз прежде, чем появятся крупные энергосистемы.

Половина продажи кремния приходится на монокристаллы, поликристаллическая модификация также имеет большое будущее. Большое будущее будут иметь тонкопленочные системы, в частности на основе аморфного кремния. Некоторые образцы фотоэлектро-преобразователей на основе аморфного кремния имеют КПД 10%, удельную стоимость 1 дол/Вт, стоимость получаемой электроэнергии 10−12 центов/(кВт/ч) — это ниже, чем была ее стоимость в 1993 г. Имеется перспектива снижения стоимости до 4 центов/(кВт /ч) к 2020 г.

Итак, фотоэнергетика может стать ведущим источником энергии мировой большой индустрии. Это подтверждают сделанные в 1994 г. разработки, считают эксперты. В результате создания новых технологий и повышения технического уровня продукции может быть преодолен барьер для внедрения фотоэлектрических систем, связанный с высокой их стоимостью. Так, по инициативе корпорации Енрон ведется разработка фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт для строительства в Неваде, на которой стоимость вырабатываемой электроэнергии составит 5,5 цента/(кВт/ч).

3.1.1 Определение основных параметров солнечной энергетики

Одним из перспективных ВИЭ является солнечное излучение. Так, полная средняя мощность солнечного излучения на Землю составляет 1,210¹⁷ Вт, т. е. на одного человека приходится около 30 МВт /16/.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере), зависит также и от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный характер.

Суммарная солнечная радиация Э_У Включает в себя излучение, падающее на горизонтальную земную поверхность, двух видов: прямое и диффузное /9 /.

(3.1.)

где Э_пр — прямое солнечное излучение, представляет собой поток излучения, поступающего от солнечного диска и измеряемого в плоскости, перпендикулярной солнечным лучом;

Э_р -диффузное излучение поступает на Землю от остальной части небесной полусферы, претерпевая рассеяние при прохождении через атмосферу;

— высота Солнца — угол в вертикальной плоскости (угол подъема над горизонтом).

Знать высоту солнца очень важно. При большой высоте Солнца увеличивается число световых часов, во время которых можно аккумулировать солнечную энергию.

Для известных значений месячного прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную площадь S валовый потенциал солнечной радиации (СР) можно рассчитать по формуле:

(3.2.)

Количество солнечной радиации в различных местностях Западной и Восточной Сибири сильно зависит от их географических характеристик, климата (и даже микроклимата) и трудно прогнозируемых факторов. Анализ многолетних данных поступления солнечной радиации Э_пр на территорию Сибири показал, что потенциал гелиоресурсов достаточно высок и не уступает южным регионам (табл.3.1.).

Таблица 3.1. Потенциал гелиоресурсов для различных климатов/9/

Важной характеристикой радиационного режима является продолжительность солнечного сияния, которая к примеру за год для г. Улан-Удэ составляет 2472 ч, в г. Чита- 2353 ч, в г. Новосибирске- 2077ч.

В зависимости от сезонных особенностей суточного хода облачности в том или ином районе региона периоды с непрерывной продолжительностью солнечного сияния могут относится к разным частям дня. Последнее обстоятельство имеет важное значение для оценки поступающей солнечной радиации к приемным поверхностям, поскольку наибольшая интенсивность ее наблюдается в околополуденные часы. Поэтому существенно, чтобы именно на это время приходилась максимальная повторяемость солнечного сияния.

Таблица 3.2 Продолжительность эффективной работы гелиоустановок (час) по данным непрерывного солнечного сияния станций Республики Бурятия /9/

Важнейшую роль в эффективной работе гелиоустановки, играет так же оптимальная ориентация приемника солнечной энергии, которое определяется тремя основными угламиширотой местоположения приемника, часовым углом w, склонением Солнца (рис. 3.1.)

Рис. 3.1 Схема кажущегося движения Солнца по небосводу

Широта — это угол между линией, соединяющей точку, А с центром Земли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол — это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол w=0 в солнечный полдень; в 1 ч. соответствует 15°. Склонение солнца — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение солнца в течение года непрерывно изменяется: от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Согласно рис. 3.1. наибольшая плотность мощности космического солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной плотности мощности солнечного излучения углы должны меняться соответствующим образом, т. е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Однако, как показали многочисленные работы при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи, для маломощных солнечных установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники (коллекторы).

В табл. 3.3. представлена зависимость месячного прихода солнечной радиации на наклонную поверхность от угла наклона СК.

Таблица 3.3 Месячный приход СР в МДж/м² на наклонную площадку с ориентацией на юг в ясные дни для углов = 20°, 40°, 50° . 60°, 70°, 90° /9/.

3.2 Энергия ветра

3.2.1 Обзор ветроустановок

Ветер — один из нетрадиционных источников энергии. Ветер рассматривается специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии, способный заменить не только традиционные источники, но и ядерную энергетику.

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:

Экологически чистое производство без вредных отходов;

Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);

Доступность;

Практическая неисчерпаемость.

В ближайшем будущем ветер будет скорее дополнительным, а не альтернативным источником энергии. По оценкам зарубежных специалистов (в частности США, достаточная конкурентоспособность ветроэнергетических установок по сравнению с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при сокращении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3−5 раз. Во многих странах мира (США, ФРГ, ДАНИЯ, ИТАЛИЯ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ, НИДЕРЛАНДЫ и др.) ассигнуются значительные государственные средства на НИОКР в области создания ВЭУ. Особое внимание при проведении этих работ уделяется повышению надежности установок, их безопасности, снижению шума, уменьшению помех телеи радиокоммуникаций.

В настоящее время можно выделить следующие сановные направления использования энергии ветра:

Непосредственная выработка механической или тепловой энергии (ветротепловые, ветронасосные, ветрокомпрессорные, мельничные и т. п. установки);

Удовлетворение потребностей в электроэнергии мелких предприятий, фирм, учреждений и т. п.

В Дании к примеру в 1994 г. действовало приблизительно 3600 ветровых энергетических установок, обеспечивая 3% общей потребности в электроэнергии. В Калифорнии (США) действует 15 000 ВЭУ, обеспечивающих электроэнергией жителей Сан-Франциско. На конец 1997 г. в мире было приблизительно 20 000 ВЭУ, вырабатывающих 3000 МВт/ч электроэнергии в год. В 80-х годах удельная стоимость ВЭУ составляла 3000 дол/кВт, а стоимость вырабатываемой электроэнергии более 20 центов/(кВт/ч)./р.и./ В дальнейшем за счет усовершенствования ВЭУ удельная стоимость снизилась до 1000−1200 дол/кВт, а стоимость производимой электроэнергии до 7−9 центов/(кВт-ч). Для сравнения на новых ТЭС, работающих на газе и угле, она составляет 4−6 центов/(кВт-ч). Многие американские и европейские компании, многие правительства успешно продвигают ветровую технологию, понимая ее значимость. Так, в Калифорнии в 1987 г. установленная мощность ВЭУ составляла 13% по отношению к общей генерирующей мощности, а в 1990 г. — 24%.

В настоящее время наибольшее распространение получают ВЭУ мощностью 300−750 кВт по сравнению с ранее применявшимися ВЭУ мощностью 100кВт. В новых конструкциях ВЭУ используется аэродинамический профиль ветрового колеса, изготавливаемого из синтетических материалов. Насыщается конструкция многими электронными устройствами, включая контроль за изменением скорости ветра, обеспечивающими эффективность использования ветра. Новые конструкции лучше приспособлены к режиму ветра, в 1994 г. стоимость вырабатываемой электроэнергии уже составила 4−5 центов/(кВт-ч).

В США планируется использовать энергию ветра (кроме Калифорнии) в штатах Миннесота, Монтана, Нью-Йорк, Орегон, Техас, Вермонт, Вашингтон, Висконсин и др. ВЭУ занимают в настоящее время 0,6% площади страны. При использовании ветра в 48 штатах может быть выработано до 20% потребности в энергии США. Теоретические расчеты показывают, что в трех штатах: Северная и Южная Дакота и Техас потребность в электроэнергии может быть полностью обеспечена за счет энергии ветра.

В Северной Германии стоимость вырабатываемой ВЭУ электроэнергии составляет 13 центов/(кВт*ч). Предполагалось к 1995 г. ввести вэу общей мощностью 500 МВт и уже в первой половине 1994 г. установленная мощность ВЭУ составила 95 МВт.

В Индии наибольший ветряной бум, поддержанный правительством, начался в 1994 г. Уже в середине 1994 г. было ведено в эксплуатацию 120 МВт и в течение последующих 12 мес. должно быть введено еще 970 МВт. В результате выполнения этой программы в некоторых регионах Индии располагаемая генерирующая мощность возросла в десятки раз.

В Китае, Новой Зеландии, Швейцарии, Канаде и на Кубе официально приступили к осуществлению проектов строительства ВЭУ.

На Украине с помощью американских фирм предусматривается строительство ВЭУ общей мощностью 500 МВт.

Среди стран, которые еще имеют возможность развития ветроэнергетики, следует указать Аргентину, Канаду, Китай, Россию, Мексику, Южную Америку и Тунис, где возможно за счет энергии ветра покрывать до 20% потребности в электроэнергии.

Наконец, 20 малых субтропических стран, где потребности в электроэнергии удовлетворяются за счет дорогих дизель-генераторных установок, имеют возможность развивать использование ветра.

Развитие ветроэнергетики как источника энергии в некоторых странах сталкивается с противодействием. С одной стороны, ветровые фермы занимают большие площади. С другой стороны, возникают проблемы, связанные с изменением ландшафта при строительстве ВЭУ. Площади, занимаемые ВЭУ, могут быть использованы для сельскохозяйственных нужд. Стоимость 1 га земли в зависимости от регионов может составлять от 100 до 2500 дол. и более. Опыт подсказывает, что требования сохранения эстетики в большинстве случаев могут быть решены.

Другой проблемой, связанной со строительством ВЭУ, возникшей в 1994 г. стала потенциальная возможность гибели птиц на путях их миграции. Орнитологи указывают, что некоторые пути миграции птиц проходят через площади, занимаемые ВЭУ. В связи с этим возникла необходимость провести научные исследования для понимания природы и масштабов проблемы. Эксперты надеются на успешное ее решение.

Немаловажными проблемами также являются влияние уровня шума, создаваемого установкой и влияние работы ВЭУ на системы радиосвязи.

Еще одной из проблем ветроэнергетики является то, что регионы, благоприятные для использования энергии ветра, удалены от крупных индустриальных центров, а строительство новых линий электропередач потребует значительных затрат времени и средств. Так, по расчетам специалистов линия электропередачи для передачи мощностью 2000 МВт на 2000 км может стоить 1,5 биллиона дол.

В СССР, а затем в России, ветроэнергетика отстает от ведущих капиталистических стран, хотя географическое положение нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ. Особенно справедливо это для степных районов России, к которым относится Республика Бурятия.

Суммарная кинетическая энергия ветра на Земле оценивается величиной порядка 0,710²¹ Дж /16/. Однако большая часть этой энергии выделяется над океанами. Тем не менее, как уже отмечалось, над равнинами, не покрытыми лесами, энергия ветра также довольно высока. Кроме того в такой местности ветер отличается большей устойчивостью, что особенно важно для работы ветроэнергетических установок.

Ниже приведены некоторые из ветроустановок различных мощностей, используемых в мире.

3.2.2 Определение основных параметров ветроэнергетики

Удельная мощность ветрового потока N_удi(V_i), проходящего через 1 м² поперечного сечения определяется по формуле/8/:

(3.3.)

где: — заданная плотность воздуха при нормальных условиях

V — скорость ветра, м/с;

Таким образом мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, и для оценки этой мощности достаточно иметь информацию о скорости ветра.

В России имеются метеорологические службы, занимающиеся регистрацией скорости ветра, следовательно имеются достаточно достоверные статистические данные о его скорости. Однако при этом следует помнить, что на метеостанциях скорость ветра измеряется на высоте 10 м над поверхностью Земли в данной местности. Поэтому если ветроколесо находится на другой высоте, то скорость ветра следует пересчитать по следующей эмпирической формуле /16/:

(3.4.)

где: Vh — скорость ветра на высоте h, м/с;

V — скорость ветра по данным метеостанции, м/с;

h — высота оси ветроколеса, м;

b — эмпирический коэффициент.

Для открытых мест параметр b=0,14 /16/. На основании статистических метеорологических данных определены параметры энергии ветра в течение года (табл.3.3.1.).

Таблица 3.4 Вероятность скорости ветра по градациям (в % от общего числа случаев)/9/

Из таблицы 3.4. видно, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4 — 12 м/с. Удельная энергия, при этом, определялась с учетом вероятностного характера скорости ветра по формуле :

(3.5.)

где: N_уд — удельная мощность ветра, Вт/м² ;

V_i — i-тая скорость ветра, м/с;

t_i(V_i) — вероятность действия i-той скорости ветра во время t.

Для проектирования электроснабжения важным параметром является продолжительность штиля (V1м/с). Из таблицы 3.4. определяем, что вероятность практического штиля в нашей зоне составляет 0,14 -0,30 в зависимости от времени года, однако максимальное количество идущих подряд штилевых дней для Республики Бурятия равно четырем /8/.Это обстоятельство следует учитывать при проектировании ветроэлектрических установок и определения глубины аккумулирования электроэнергии.

Как видно из данной главы Байкальский регион имеет колоссальный ресурс возобновляемых источников энергии, причем как солнца, так ветра, что позволяет с достаточной эффективностью внедрять установки на основе ВИЭ.

4. Технологическая часть

Как показал опыт эксплуатации экодомов, для отопления зданий в условиях Сибири /9/, использование активных солнечных систем неэффективно. Учитывая тот факт, что Гостевой дом будет использоваться в основном в летнее — осенний период целесообразнее будет использовать комбинированную систему теплоснабжения, т. е. для отопления предлагается использовать пассивную солнечную систему, а для горячего водоснабжения — солнечные коллектора с теплоносителем вода.

На рис. 4.1. представлена схема системы солнечного теплоснабжения.

Рис. 4.1.Схема системы солнечного теплоснабжения.

1-солнечный коллектор, 2- бак аккумулятор горячей воды, 3- теплообменник, 4- здание с напольным отоплением, 5- дублер, 6- пассивная солнечная система, 7- галечный аккумулятор, 8- заслонки, 9- вентилятор, 10- подача теплого воздуха в здание, 11-подача рециркуляционного воздуха из здания.

4.1 Обзор пассивных систем солнечного отопления

Пассивная система солнечного отопления проста по конструкции и имеет высокую эффективность, система способна обеспечить до 60% загрузки отапливаемых сооружений /18/.

Сооружение с пассивным использованием теплоты солнечной радиации можно определить как построенную с учетом климатических процессов данной местности систему отопления, использующую строительные элементы, максимально аккумулирующую энергию солнечного излучения для обеспечения микроклимата в помещении, в соответствии с нормами проектирования.

Пассивные гелиосистемы условно разделяют на открытые и закрытые.

В открытых системах лучи солнечного излучения проникают в отопительное помещение через оконные проемы (увеличенных размеров) и нагревают строительные конструкции помещения. Последние при этом являются приемниками и аккумуляторами теплоты.

Такие системы очень просты, но имеют недостатки, а именно: неустойчивость теплового режима; в ряде случаев из-за интенсивной инсоляции возникает некомфортное состояние в помещении; необходимость использования дополнительной нагревательной системы.

В закрытых системах поток солнечной радиации в помещение не проникает, а поглощается приемником солнечной радиации, совмещенного с наружными ограждающими конструкциями. Такая система выполняет как функции основного конструктивного назначения (элементы сооружения), так и функции приема, аккумулирования и передачи теплоты.

Тепловоспринимающая конструкция, как правило, является и аккумулятором теплоты.

Схема сооружения с открытой системой отопления показана на рисунке 4.2. В помещении такого сооружения высока неравномерность суточных температур. При отсутствии инсоляции имеет место резкое охлаждение объема помещения.

Схема закрытой пассивной системы без циркуляции теплоносителя (по проекту А. Е. Моргана) показана на рисунке 4.3. В дневное время поток солнечной радиации нагревает массивную стену сооружения, которая ночью отдает свою теплоту внутреннему объему его. Из-за отсутствия циркуляции воздуха в помещении (или недостаточной циркуляции) внутренний воздух в помещении нагревается неравномерно: около стены теплоприемника воздуха температура наибольшая; при удалении от стены температура его уменьшается значительно.

Аналогично предыдущей является схема пассивного использования теплоты солнечной радиации для отопления, которая спроектирована Г. Хеем. В качестве тепловоспринимающего элемента служит металлическое покрытие, на котором лежат большие черные маты, наполненные водой.

Днем маты с водой открыты для нагрева солнечными лучами. На ночь маты закрываются изолированными панелями с помощью автоматического устройства, которое реагирует на сигнал реостата. Поэтому теплота, аккумулированная матами, передается в основном вниз, т. е. в помещение. Система Г. Хея более эффективно работает в широтах между 45° южной широты и 45° северной широты, в которых солнце находится высоко в небе и где зимы умеренные, а низкие температуры наблюдаются редко.

Примером пассивной закрытой системы с циркуляцией теплоносителя через тепло воспринимающую стену может быть система, приведенная на рисунке 4.4. (солнечный дом Ф. Тромба и Дж. Мишеля). Роль поглотителя и аккумулятора теплоты солнечной радиации играет обращенная на юг массивная бетонная стена дома, покрашенная в темный цвет и отделенная от наружного воздуха одинарным, двойным или тройным остеклением. У верхней и нижней частей стены находятся каналы для циркуляции теплоносителя (воздуха помещения).

Под воздействием солнечного излучения воздух, находящийся в промежутке между стеной и светопроникающим ограждением, нагревается и поступает через верхние каналы в помещение. Этот воздух замещает прохладный, поступающий из помещения через нижние каналы. Тем самым создаются условия для естественной циркуляции воздуха и обеспечивается более равномерная температура в помещении. Ночью, аккумулированная стеной теплота, передается помещению.

В жаркий период года стена Тромба—Мишеля является источником дополнительной теплоты, что создает некомфортные условия для тех, кто находится в помещении. Поэтому целесообразно на наружной поверхности стены уложить тепловую изоляцию, а в межстекольном пространстве — тепловоспринимающий экран из материала с высокой теплопроводимостью, чтобы теплота могла свободно передаваться в пространстве между экраном и стеной. Тепловоспринимающий экран нагревается до температуры 0…120°С и вследствие этого естественная конвекция воздуха становится интенсивной. Тепловые потери при этом сводятся до минимума. В жаркий период тепловая изоляция на наружной поверхности стены предотвращает дополнительное нагревание помещений.

Интенсивное движение воздуха около пола помещения и особенно вблизи канала и стены является источником дискомфорта у людей и может влиять на состояние их здоровья. Поэтому перед выходным отверстием необходимо установить защитный экран.

Заслуживает внимания предложение Д. Шахурди. Пространство между светопроникающим ограждением и стеной рекомендуется выполнить достаточно большим, с тем чтобы использовать его для выращивания растений. Стекла покрыты тонкой пленкой, в которой коэффициент проникновения солнечного луча меняется в зависимости от температуры. При низкой температуре пленка пропускает около 95% солнечной радиации, если последняя падает на нее под прямым углом. В теплом состоянии она малопрозрачна. В результате солнечная теплота поступает в теплицу не только в солнечную, но и в холодную погоду.

Опыт эксплуатации сооружений с системой отопления Тромба—Мишеля доказал, что поступление теплоты от солнечной радиации на южную и восточную стены в ясный день может покрыть суточные тепловые потери здания. Пассивные гелионагреватели в основном компенсируют тепловые потери сооружения, но для этого необходимо достаточное число ясных дней в отопительный период. Практически пассивная система отопления станет рентабельной при числе ясных дней не менее 60…70% общего количества дней отопительного периода. В пасмурные дни эффективность пассивной системы уменьшается на 50…60% относительно номинальной, по сравнению с ясными днями, и в результате этого доля системы в общем балансе энергосбережения незначительна. В этом случае необходимый микроклимат поддерживают или с помощью традиционного источника отопления (например, электрокотельные) или аккумулятора теплоты.

Аккумулирование теплоты значительно повышает эффективность и надежность пассивной системы. Аккумуляторы размещают или в земле (рис. 4.5., а) или внутри сооружения (рис. 4.5., б). В первом случае необходимо наличие вентилятора для подвижности воздуха. Размещение аккумулятора в объеме здания дает больший эффект, так как теплота не теряется в окружающую среду, но такой аккумулятор плохо вписывается в сооружение.

4.2 Расчет отопления

4.2.1 Расчет нагрузки отопления

Исходные данные:

Расчетная нагрузка Р_{от расч}= 30 кВт.

Число градусо-дней отопительного периода. D=7067,9

Тепловую нагрузку отопления дома определяем по формуле /9/:

(4.1.)

где UA — полный коэффициент теплопотерь здания: