Повышение энергетической эффективности систем тепло и электроснабжения объектов Кыргызстана на основе солнечных гибридных коллекторов

Актуальность темы

диссертации. Низкий коэффициент самообеспеченности Кыргызской Республики по традиционным источникам энергии, высокие цены на мировом топливном рынке и наличие экологических проблем связанных с использованием традиционных энергоносителей приводит к поиску альтернативных решений, одним из которых является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и, в частности, энергия солнечного излучения. По масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности она является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и электроэнергии, особенно в области невысоких температур. По предварительным расчетам, возможная суммарная тепловая мощность солнечных коллекторов, смонтированных на различных объектах побережья озера Иссык-Куль, может составить 60 Гкал/час с выработкой 175 тыс. Гкал в год, что позволит сэкономить до 60 тыс. тонн условного топлива [1].

Необходимость более широкого использования ВИЭ в энергетике Кыргызской Республики обусловлено тем, что в связи с маловодием, гидроэлектростанции работают в веерном режиме. Перерывы в энергоснабжении дезорганизуют жизнь регионов, наносят ущерб, оцениваемый в миллионы долларов в год. По примерным оценкам в непрерывных производствах перерабатывающей промышленности, ущерб от недоотпуска электроэнергии в 2530 раз превышает стоимость недопоставленной энергии.

До недавнего времени практическое использование ВИЭ сдерживалось высокой стоимостью получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками и относительно низким КПД. Сейчас наблюдается устойчивая тенденция снижения стоимости ВИЭ, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и повышение стоимости традиционных ископаемых источников энергии, обусловленная их истощением и усложнением технологии добычи.

Поэтому в национальных целевых программах и принятых нормативно-правовых актах Кыргызстана предусматривается, что основным источником покрытия прироста потребности Республики в топливе и энергии должны стать энергосберегающие мероприятия и замещение дефицитных видов органического топлива электрической энергией, а также возобновляемыми источниками энергии, которые предполагается использовать по двум направлениям:

1) производство низкопотенциального тепла для отопления и горячего водоснабжения, основанное на применении энергии солнца и геотермальных источников;

2) производство электроэнергии, предполагающее освоение ветровой энергии, гидроэнергии малых водотоков, а также фотоэлектрических преобразователей.

Для условий Кыргызской Республики наиболее перспективными областями применения ВИЭ следует считать децентрализованные сельскохозяйственные районы, расположенные в отдельных горных и предгорных районах, животноводческие комплексы, личные подсобные хозяйства, лечебно-оздоровительных учреждения, дома отдыха и детские лагеря.

В настоящее время в некоторых указанных зонах используются водяные солнечные коллекторы для обеспечения горячего водоснабжения, а также фотоэлектрические коллекторы, которые компенсирует потребности потребителей в электроэнергии в период веерных отключений, вызванных маловодием на гидроэлектростанции. Однако существующая система тепловых и фотоэлектрических коллекторов пока не может обеспечить гарантированного минимума энергоснабжения потребителей в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения.

Альтернативой тепловым и фотоэлектрическим коллекторам может служить гибридный коллектор, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую и электрическую энергию.

По сравнению с фотоэлектрическими коллекторами он обладают более длительным сроком службы, меньшей стоимостью, низкими эксплуатационными расходами и более высоким термоэлектрическим КПД. Кроме того, применение гибридной системы вместо совместно используемых тепловых и фотоэлектрических коллекторов для обеспечения потребителя одновременно тепловой и электрической энергией, требует существенно меньшей площади для её установки.

Учитывая, что Кыргызский химико-металлургический завод является одним из крупнейших мировых производителей монокристаллического кремния, сырьевого материала для производства солнечных фотогальванических элементов, в стране может быть налажен выпуск современных ГСК. Для этого необходимы исследования и разработка энергоэффективных технологий с гибридными солнечными системами теплоэнергообеспечения. С их помощью возможно обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения сельского населения и сельскохозяйственного производства в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения и предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений. Решение этой актуальной задачи позволит улучшить экологическую, энергетическую и экономическую безопасность страны.

Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности системы обеспечения теплом и электроэнергией автономного объекта в климатических условиях Кыргызской Республики, посредством использования солнечного гибридного коллектора с дискретной, оптически сложной поверхностью. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Создание математической модели гибридного коллектора с дискретной, оптически сложной поверхностью.

2). Численное и экспериментальное исследование локальных характеристик полей температур и скоростей в канале плоского солнечного гибридного коллектора с воздушным теплоносителем.

3) Разработка модели системы солнечного теплои электроснабжения автономного объекта, учитывающей климатические и экономические факторы.

4) Определение экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных регионах Кыргызской Республики.

Научная новизна:

1. Впервые, на модульно-экспериментальной установке получены электрические и тепловые характеристики солнечного гибридного коллектора с оптически сложной поверхностью при разных вариантах охлаждения его фотоэлектрических преобразователей.

2. Впервые, разработан метод регулярного режима охлаждения для определения коэффициентов теплоотдачи в ГСК, рабочая поверхность которого обладает дискретными терморадиационными характеристиками.

3. Разработана математическая модель ГСК и получены данные о температурных полях и потоках, позволяющие определить оптимальные значения.

КПД и коэффициента замещения для административно-бытовых объектов, расположенных в Кыргызской Республике.

4. Разработан проект системы горячего водоснабжения и электроснабжения автономного объекта с накопительными элементами тепла, электричества и резервной биогазовой установкой.

Достоверность подтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительных комплексов, а также удовлетворительным соответствием результатов исследования с данными других авторов.

Практическая значимость. Данные экспериментов, математические модели и результаты численных расчетов могут быть использованы при разработке и проектировании конструкций гибридных солнечных коллекторов и систем автономного теплои электроснабжения объектов, отдаленных на значительное расстояние от центральных магистралей.

Результаты работы используются при чтении курсов по специальности промышленная теплоэнергетика.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Математическая модель расчета локальных характеристик гибридного солнечного коллектора.

• Результаты экспериментальных и численных расчетов гибридного солнечного коллектора.

• Данные о влиянии режимов работы гибридного солнечного коллектора на его КПД.

• Результаты расчетов коэффициента замещения и экономической эффективности воздушных гибридных коллекторов в Иссык-Кульской области Кыргызской Республике для обеспечения потребителей тепловой и электрической энергией.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались: в 2007 г. на XXII международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» — в 2009 и 2010 гг на XIV и XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" — в 2011 г на семинаре Исполнительного комитета ЭЭС СНГ «Возобновляемая энергетика и эффективное использование энергетических ресурсов — потенциал и перспективы инновационного сотрудничества государств Содружества».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 5 опубликованных работах, две из которых представлены в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Кадыров Ч. А., Сергиевский Э. Д., Тюхов И. И. Экспериментальное и расчётное исследование характеристик на модели солнечного гибридного коллектора // Тез. XXII междунар. конф. «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» Эльбрус-2007. Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007. С. 7071.

2. Кадыров Ч. А., Сергиевский Э. Д., Глазов B.C. Математическое моделирование теплообмена в солнечном гибридном коллекторе // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», — М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Том 2. С. 356−357.

3. Кадыров Ч. А., Сергиевский Э. Д., Тюхов И. И. Исследование характеристик приемного элемента солнечного гибридного коллектора. /Вестник МЭИ. — 2008. -№ 2. -С. 26−29.

4. Кузнецов К. В., Тюхов И. И., Кадыров Ч. А., Сергиевский Э. Д. Исследование приемного элемента солнечного гибридного коллектора /Теплоэнергетика — Москва 2009. -№ 2. -С. 73−77.

5. Кадыров Ч. А., Сергиевский Э. Д., Глазов B.C. Математическая модель сети на базе гибридного солнечного коллектора // Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», — М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Том 2. С. 419−420.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

Выводы.

В данной главе рассмотрена система солнечного теплои электроснабжения автономного объекта, расположенного в Иссык-Кульской области Кыргызской Республики. Представлена схема разработанной системы для административно-бытового здания.

С целью выяснения эффективности использования ГСК для электрои теплоснабжения автономного объекта рассмотрены следующие режимы работы ГСК: в покрытии нагрузки на отопление и горячее водоснабжение (электроснабжение) — только горячее водоснабжение и электроснабжениетолько отопление и электроснабжение.

Установлено, что среднегодовой вклад солнечной энергии в теплоснабжении рассмотренного автономного объекта, с учетом горячего водоснабжения, может составить 75%, а недостающая часть скомпенсирована дублирующим источником.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Впервые создана математическая модель ГСК для определения тепловых характеристик в стационарных условиях. Модель учитывает распределение температуры вдоль коллектора и позволяет определить коэффициент полезного действия коллектора с учетом изменения коэффициента тепловых потерь, зависящего от параметров наружного климата.

2. Впервые получены электрические и тепловые характеристики модуля ГСК при различных вариантах охлаждения его СЭ. Разработан метод регулярного режима для определения коэффициента теплоотдачи поверхности с дискретными теплофизическими свойствами. С помощью данного метода получены значения коэффициентов теплоотдачи СЭ в конструкции ГСК.

3. Разработана модель системы солнечного тепло и электроснабжения, позволяющая проводить расчет и оценку эффективности этой системы, а так же определять реальную потребность в дополнительном источнике энергии.

4. Показано, что расхождение экспериментальных данных и результатов расчета температур по разработанным математическим моделям составило около 10%.

5. Выполнен расчет почасового поступления суммарной солнечной радиации на наклонную плоскость с учетом облачности и вычисления оптимального угла наклона для ГСК.

6. Показано, что применение в условиях Кыргызской республики, рассмотренного в работе, ГСК вместо ФЭСК и ТВСК с одинаковой площадью приемной поверхности позволяет увеличить количество замещаемого первичного топлива в диапазонах 20−25% и 10−12%, соответственно.

7. Проведены расчеты экономической эффективности использования воздушных коллекторов в климатических условиях южных районов Кыргызской Республики. Показано, что использование воздушных солнечных гибридных коллекторов при участии в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения или покрытии нагрузки только горячего водоснабжения целесообразно.