Отраслевая конференция 
«Теплоснабжение-2019»
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Использование солнечной энергии для производства горячего водоснабжения на объекте университета острова Русский

Богданович Г.А., Карягин А.В., Баскова Г.Н.,
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия.

Резюме

В данной статье описан опыт использования альтернативных источников энергии, для получения горячего водоснабжения за счёт энергии солнца на одном из объектов Дальневосточного федерального университета в кампусе на о. Русский. Приведены данные мониторинга о выработанной энергии за 5 месяцев работы установки, а также для сравнения приведены данные об экологическом эффекте. Приведены работы, проводимые по повышению надёжности и производительности установки.

Ключевые слова: солнечная энергия, солнечная водонагревательная установка, фотоэлектрическая солнечная установка.

1 Введение

Приморский край относится к регионам России, где поступление солнечной радиации является максимальным и достигает 5 и более кВт*ч/м² в день. Число солнечных дней в среднем по Приморскому краю составляет 310, при продолжительности солнечного сияния более 2000 часов [1,3].

Максимальное поступление солнечной радиации наблюдается в мае, а минимальное в декабре, причём в марте наблюдается максимальная сумма прямой радиации на нормальную к лучу поверхность и продолжительность солнечного сияния. Минимальная продолжительность солнечного сияния наблюдается в июне и июле это связано с сезоном дождей, которые наступают в этот период

По некоторым исследованиям, практические ресурсы солнечной энергии в Приморском крае с учетом экологических и других ограничений составляют: тепловой энергии - 16,0 млн.кВт, электрической энергии - 4,9 млн.кВт [2], в то время как установленная мощность оборудования электростанций в крае составляет 2,7 млн.кВт электрической энергии и 3,9 млн.кВт тепловой энергии [5,6]. Таким образом, мощность электростанций и ресурс солнечной энергии при получении электрической величины одного порядка.

Однако, несмотря на огромный потенциал солнечной энергетики, широкое внедрение альтернативной энергетики в России сдерживается по ряду причин: это дороговизна, большая материалоемкость оборудования, недостаточный опыт использования данных технологий, плохая информированность. Привлечь внимание к альтернативной энергетике можно с помощью демонстраций успешного опыта внедрения установок альтернативной энергетики в реальном хозяйственном применении. Существующая тенденция понижения стоимости оборудования для солнечной энергетики и постоянное повышение стоимости органического топлива и тарифов на электрическую и тепловую энергию, также являются тем фактором, который повышает привлекательность и конкурентоспособность альтернативной энергетики.

В данной статье рассмотрен пример реального использования солнечной энергии для горячего водоснабжения гостиничного корпуса на кампусе Дальневосточного Федерального университета в городе Владивосток на острове Русском.

2 Описание установки

В декабре 2014 года на кампусе ДВФУ была установлена всесезонная Лабораторная солнечная водонагревательная установка (СВНУ), предназначенная для получения горячего водоснабжения гостиничного корпуса рассчитанного на проживание 536 человек. Совместно с СВНУ смонтирована фотоэлектрическая солнечная установка (ФСУ). Вырабатываемая энергия ФСУ расходуется на автономное электроснабжение СВНУ, излишки электроэнергии расходуются на электроснабжение внутренних потребителей.

Генерирующее оборудование установок включает в себя: 90 солнечных коллекторов производительностью 0,15 Гкал/час тепловой энергии и 176 фотоэлектрических солнечных панелей производительностью 22 кВт*час электрической энергии.

Фото 1. Гостиничный корпус ДВФУ №8.1

Солнечные коллектора и фотоэлектрические солнечные панели установлены на кровле здания. Общая площадь кровли составляет 2566 м².

Фото 2. Расположение солнечных коллекторов и фотоэлектрических панелей на кровле гостиничного корпуса ДВФУ №8.1

Фото 3. Тепловой пункт СВНУ гостиничного корпуса ДВФУ №8.1

СВНУ разделена на три одинаковые системы. Каждая система включает в себя 30 коллекторов, две насосные станции с теплообменниками и накопительный бак емкостью 5000л. (поясняющая схема представлена на рисунке 1).

Рисунок 1: Принципиальная схема системы СВНУ

Три накопительных бака, насосные станции с теплообменниками, электрические аккумуляторные батареи, системы электроснабжения и управления расположены в подвальном помещении. Система СВНУ включает в себя четыре циркуляционных контура, посредством которых передаётся солнечная энергия системе горячего водоснабжения корпуса.

ФСУ разделена на две системы: однофазную и трёхфазную.

Однофазная система ФСУ включает в себя 124 фотоэлектрические панели, зарядные устройства, которые обеспечивают заряд 28 аккумуляторных батарей, необходимых для аварийного электроснабжения установки, и однофазный инвертор, преобразующий вырабатываемую электроэнергию в однофазную напряжением 220В частотой 50Гц. Электроэнергия, вырабатываемая однофазной системой, обеспечивает автономную работу СВНУ, а излишки полученной энергии отдаются во внутреннюю сеть электроснабжения корпуса.

Трёхфазная система ФСУ включает в себя 52 солнечные панели и инвертор, преобразующий вырабатываемую энергию в трёхфазную напряжением 380В частотой 50Гц. Электроэнергия трёхфазной системы используется на энергоснабжение внутренних потребителей гостиничного корпуса.

В установке применены 90 солнечных вакуумных коллекторов марки ES58-1800-30R1. Коллектора ориентированы на юг, угол наклона поверхности солнечных коллекторов к горизонту составляет 40°.

Ниже представлены технические данные установленных вакуумных коллекторов.

Фото 4: Вид солнечного коллектора.

Фото 5: Вид вакуумной трубки.

Таблица 1: Технические данные солнечного коллектора

Тип коллектора ES58-1800-30R1
Общая площадь 4,90 м²
Ширина коллектора 2420 мм
Высота 2010 мм
Глубина 145 мм
Площадь апертуры 2,791 м²
Эффективная площадь абсорбции 2,411 м²
Объём жидкости в манифольде 2,3 л
Рекомендуемая скорость потока 3,21/4,82 л/мин.
Степень поглощения > 91%: 0,93 ~ 0,96 (АМ-1.5)
Средний коэффициент тепловых потерь 0.4 ~ 0.6W/(m2℃)
Угол установки 40º
Количество трубок 30 шт
Длина трубки 1800 мм
Внешний диаметр трубки 58±0.7 мм
Толщина внешней стеклянной трубки 1.8±0.15мм
Внутренний диаметр трубки 47±0.7мм
Толщина внутренней стеклянной трубки 1.6±0.15 мм
Эффективная площадь вакуумной трубки 0,13 м²
Устойчивость к граду До 35 мм
Срок службы 15 – 25 лет

Площадь крыши, которую занимают солнечные коллектора, составляет 1112 м², а эффективная площадь абсорбции тепловоспринимающей поверхности составляет 216,99 м2.

3 Мониторинг работы установки

С начала ввода установки в эксплуатацию проводится непрерывный мониторинг выработки электрической и тепловой энергии установкой, а также технических параметров работы установки. Данные мониторинга архивируются в онлайн режиме и доступны для удалённого анализа через сеть Интернет.

Ниже представлены суточные данные о выработке тепловой энергии установкой с января по май 2015 года.

Рисунок 2: Суточные данные о выработке тепловой энергии в январе 2015г.

Рисунок 3: Суточные данные о выработке тепловой энергии в феврале 2015г.

Рисунок 4: Суточные данные о выработке тепловой энергии в марте 2015г.

Рисунок 5: Суточные данные о выработке тепловой энергии в апреле 2015г.

Рисунок 6: Суточные данные о выработке тепловой энергии в мае 2015г.

По суточному графику выработки тепловой энергии установкой можно наблюдать о количестве солнечных и пасмурных дней в течение исследуемого периода. Наблюдения за работой установки показали, что и в пасмурные дни установка способна вырабатывать тепловую энергию. Отсутствие выработки тепловой энергии наблюдалось только в дни выпадения осадков.

Рисунок 7: Данные о выработке тепловой энергии с января по май 2015г.

За исследуемый период с января по май солнечной установкой было выработано 64788 кВт×ч (233236,8МДж) тепловой энергии, что показало среднюю суточную выработку тепловой энергии с 1 м² эффективной площади абсорбции коллекторов 1,977 кВт×ч/м2.

Следует отметить, что за исследуемый период установка не всё время находилась в работе. В январе и феврале месяцах продолжались пусконаладочные работы, на проектную мощность установка вышла только в марте 2015 года.

Максимальная производительность установки была зафиксирована 23 мая. В этот день установка выработала 1040 кВт×ч, что на 1 м² эффективной площади абсорбции составило 4,79 кВт×ч/м2 в день.

Ниже для сравнения приведено количество месячной выработки установкой с 1 м² тепловой энергии в МДж и статические характеристики месячных сумм солнечной радиации и прямой радиации на горизонтальную поверхность в городе Владивосток.

Таблица 2: Данные статических характеристик солнечной радиации и выработанной тепловой энергии установкой.

Январь Февраль Март Апрель Май
Q, МДж/м² 260 339 463 488 521
S', МДж/м² 170 228 283 263 259
Qвыр, МДж/м² 133 152 255 260 275

Q, МДж/м² - месячные суммы суммарной солнечной радиации;

S', МДж/м² - месячные суммы прямой радиации на горизонтальную поверхность;

Qвыр, МДж/м² - суммарное месячное количество тепловой энергии, выработанное солнечной водонагревательной установкой с 1м².

Из примера можно наблюдать, что данные выработанной установкой тепловой энергии примерно совпадают со статистическими данными о поступлении солнечной радиации на горизонтальную поверхность. (Январь и февраль не учитывается, так как в этот период ещё не были завершены работы по пуско-наладке оборудования). Данный пример показывает эффективность работы установки, что ещё раз подтверждает целесообразность использования солнечных водонагревательных установок в Приморском крае.

4 Экологический эффект

Оценка экологической эффективности применения альтернативной энергетики хорошо видна на примере экономии органического топлива. Ниже приведен расчёт экономии органического топлива, используемого при производстве энергии традиционными способами, на то количество тепловой энергии, которое выработала установка.

Экономию органического топлива за счет использования солнечной энергии можно рассчитать по выражению:

(1)

где:

В – экономия топлива за исследуемый период (кг);

Qвыр – суммарное количество теплоты, выработанное установкой за исследуемый период (кДж);

– низшая рабочая теплота сгорания топлива (у угля =25000кДж/кг, у мазута =40000кДж/кг, у природного газа = 33270кДж/кг);

– КПД замещаемого источника тепла (у угля =0,6, у мазута =0,7, у природного газа =0,7);

=0,7 - КПД котла.

Данные расчёта экономии органического топлива за исследуемый период приведены в таблице 3.

Таблица 3: Данные расчёта экономии органического топлива за исследуемый период.

Топливо Количество, кг
Уголь 22 213
Мазут 11 900
Природный газ 14 307

Наиболее всего оправдано применение альтернативных источников энергии с экологической точки зрения. Традиционные способы производства энергии в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков, поступление в атмосферу основной доли техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли.

Ниже приведены данные о количестве атмосферных загрязнений, возникающих при традиционных способах производства энергии того количества энергии, которое выработала установка с января по май [4].

Таблица 4: Количество атмосферных загрязнений при традиционном производстве

Тепловая энергия выработанная за исследуемый период Вредные выбросы при традиционном производстве
SO2 NOх CO2, Зола, шлак Тепловое загрязнение Потребление кислорода
т т т т МДж т
64788 кВт*ч 0.99 0.09 27.28 2.27 166358.40 19.85

5. Работы, проводимые по повышению производительности установки

С момента запуска установки проводятся работы по повышению её надёжности и производительности.

Изначально в установке не было предусмотрено резервирования циркуляционных контуров, что могло бы привести к остановке оборудования и перегреву установки. Для повышения надёжности работы установки была разработана система резервирования циркуляционных насосов первых двух контуров главной насосной станции. Система резервирования первого контура включила в себя параллельную установку основному насосу резервного. Автоматизация процесса обеспечивает запуск резервного насоса в случае выхода из строя основного, а также автоматическое переключение насосов с заданным интервалом времени для обеспечения их одинаковой наработки.

Для резервирования циркуляции теплоносителя второго контура в случае выхода из строя насоса, внедрена схема принудительной циркуляции обратной сетевой воды ГВС через этот контур. Принудительная циркуляция обеспечена работой штатных циркуляционных насосов горячего водоснабжения установленных в тепловом пункте корпуса.

Эксплуатация установки показала возможность увеличить теплосъём с установки, так как её производительность оказалась выше запроектированной, при повышении солнечной активности происходил нагрев оборудования до максимально допустимой температуры. Увеличение теплосъёма стало возможным за счёт подключения дополнительных потребителей и подпиткой холодной водой. Внедрение данного мероприятия позволило на 10% увеличить производительность установки, повысить теплосъём и понизить на 10 °С (с 43°С до 33°С) температуру воды на подаче в установку.

Дальнейшим развитием установки предполагается установка теплового насоса для утилизации тепловой энергии вытяжного воздуха вентиляционных систем для нагрева воды системы ГВС. Совместная работа тепловых насосов и солнечной водонагревательной установки позволит полностью обеспечить корпус горячей водой в пасмурные дни и отказаться от центрального теплоснабжения системы ГВС.


Список литературы

[1] Веб сайт SolarGIS, Карта солнечного излучения. Солнечное излучение в разных частях планеты. www.solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI

[2] Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: ресурсы и технические возможности. Дальневосточная российская академия наук, Владивосток, с. 40, 1994.

[3] Гричковсая Н.В., Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Оценка потенциала солнечной энергии для разработки энергоэффективных зданий в условиях муссонного климата, Владивосток, с. 143, 170-172, 2008.

[4] Благородов В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, Россия. Журнал Энергетик № 10, с. 16-18, 1999.

[5] Россия, Открытое акционерное общество «Дальневосточная генерирующая компания», Веб сайт, Владивосток, филиал Приморская генерация www.dvgk.ru/en/branch/primgen

[6] Россия, Открытое акционерное общество «Дальневосточная генерирующая компания», Веб сайт, Владивосток, филиал Лучегорский топливно-энергетический комплекс www.dvgk.ru/en/branch/luchtec

Богданович Г.А., Карягин А.В., Баскова Г.Н., Использование солнечной энергии для производства горячего водоснабжения на объекте университета острова Русский

Источник: Портал по теплоснабжению, РосТепло.ру, www.rosteplo.ru

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

СИСТЕМА 
ДОБРОВОЛЬНОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ 
СХЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 
И ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОГРАММ 
ТЕПЛОСНАБЖАЮЩИХ ОРГАНИЗАЦИЙ
Программы Auditor
Авторские права на размещенные материалы принадлежат авторам
Возрастная категория Интернет-сайта "18+"
© РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению, 2003-2019
О проекте | Карта портала | Реклама на РосТепло.ru |
Top.Mail.Ru

Отраслевая конференция «Теплоснабжение-2019»

Москва, 22-24 октября 2019 г.
Примите участие!

Подробнее