Статья ВАК: Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий

8365 2 0

Опубликовано в журнале СОК №6 | 2018

Rubric:

Energy saving

Тэги:

Показать выходные данные статьиСкрыть выходные данные статьи

УДК 621.31

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ

С. Е. Щеклеин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой атомных станций и ВИЭ; А. И. Попов, к.т.н., доцент кафедры атомных станций и ВИЭ, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)

Рассмотрена возможность энергоснабжения частного дома с использованием гибридной термоэлектрической и фотоэлектрической технологий. Показано, что большая длительность отопительного периода, характерная для ряда регионов нашей страны создаёт благоприятные условия для применения термоэлектрической технологии. В тоже время в период высокой солнечной инсоляции (весна-лето) и низкой потребности в отопительных нагрузках целесообразно использование фотоэлектрической технологии. Установлено, что потребность в электроснабжении может быть обеспечена при эффективности термоэлектрического преобразования полной тепловой энергии сжигаемого топлива более 2 %. Использование современного энергоэффективного осветительного, радиотелевизионного, компьютерного оборудования, интернета и средств связи позволяет существенно снизить требуемую электрическую мощность и, как следствие упростить и удешевить стоимость гибридной энергетической установки, а также повысить надёжность гарантированного энергоснабжения с применением местных топлив (дрова, торф и пр.). При этих условиях требуемая эффективность термоэлектрического преобразования для минимального энергообеспечения может быть снижена до 0,5–1 %.

Ключевые слова: теплоснабжение, электроснабжение, термоэлектричество, фотоэлектричество, энергоэффективность.

UDC 621.31

Reliable power supply using renewable energy sources

S. E. Shсheklein, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources; A. I. Popov, PhD, Assistant Professor of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources, Ural Federal University (UrFU)

The possibility of supply of private homes using hybrid thermoelectric and photovoltaic technologies. It is shown that the long duration of heating period, certain regions of our country creates favourable conditions for the use of thermoelectric technology. At the same time in a period of high solar insolation (spring-summer) and low heating loads it is advisable to use photovoltaic technology. Found that the demand for electricity can be achieved when the efficiency of thermoelectric conversion complete thermal energy fuel burn more than 2 %. The use of modern energy-efficient lighting, radio-television, computer equipment, Internet and communication tools can significantly reduce the required electrical power, and consequently simplify and reduce the cost of a hybrid power plant, as well as improve reliability of guaranteed power supply with the use of local fuels (peat, firewood, etc.). Under these conditions the required efficiency of thermoelectric conversion for minimum energy can be reduced to 0.5–1 %.

Keywords: heating, electricity, thermoelectricity, photovoltaics, energy efficiency.

Проблема низкой надёжности энергообеспечения автономных потребителей при использования возобновляемых источников энергии в суровых климатических условиях большинства регионов Российской Федерации в значительной мере сдерживает широкое внедрение технологий ВИЭ. Для обеспечения безрискового энергоснабжения установки на основе ВИЭ дублируются дизель-электрическими, работающим на моторном топливе, что требует приобретения и хранения запасов дорогостоящего моторного топлива. Замена дублирующих источников на более экономичные — является весьма актуальной задачей. Данная задача рассматривалась ранее в работах [1, 2].

В работе на примере фототермоэлектрической системы исследована возможность обеспечения надёжного энергоснабжения сельского дома путём совместного использования солнечной энергии и энергии сгораемой биомассы, используемых для отопления в зимний период. Подобные виды топлива не являются дорогостоящими и широко доступны. По ресурсам биомассы, пригодной для энергетического использования, наша страна находится в числе мировых лидеров [3, 4]. Cхема комбинированной солнечно-термоэлектрической системы энергообеспечения приведена на рис. 1.

Анализ солнечной составляющей энергообеспечения

С учётом данных метеорологических наблюдений количества дней с различными условиями облачности энергия, приходящая на поверхность солнечного преобразователя за месяц [5]:

Q_{прих.мес} = Q_{прих.ясн}(N_мес – N_обл) + Q_{прих.обл}N_обл, (1)

где Q_{прих.ясн} и Q_{прих.обл} — значения суммарной радиации, приходящей на поверхность солнечного преобразователя за средний день месяца для условий ясного неба и средних условий облачности; N_мес — количество дней в месяце; N_обл — среднее число пасмурных дней по общей облачности за данный месяц [5, 6].

На рис. 2 приведены расчётные значения выработки электрической энергии современных ФЭП (КПД = 15 %) для суммы радиации, приходящей на плоскость определяемой по формуле (1) и данным [5]. Результаты расчётов выработки электрической энергии за год для нормального падения солнечного излучения на поверхность приведены в таб. 1.

Анализ отопительной составляющей энергообеспечения

Суровые климатические условия многих регионов России обуславливают необходимость отопления жилых и производственных помещений в течение длительного времени; подачи значительно большего количества тепловой энергии, чем в здания аналогичного уровня теплозащищённости в более мягких климатических условиях [7]. Объективным количественным показателем суровости климата является параметр ГСОП — градусосутки отопительного периода, который характеризуют суровость климата какого-либо региона (чем выше ГСОП, тем холодней). В зарубежной практике используется подобный показатель Heating Degree Days (HDD), достаточно просто пересчитываемый в принятый в РФ показатель ГСОП [8]. Для России ГСОП существенно (в полтора-два раза) выше, чем для всех европейских стран и США.

Объём тепловой энергии за отопительный период [кВт·ч/год] без учёта потерь тепла на вентиляцию, канализацию и водоснабжение, инфильтрацию через элементы тепловой защиты в соответствие с принятой в России методикой [9] составит:

Q_отгод = 0,024ГСОПV_отk_об, (2)

где ГСОП — градусо-сутки отопительного периода [°C·сут./год]:

ГСОП = (t_в – t_от)z_от, (3)

где t_от и z_от — средняя температура наружного воздуха [°C] и продолжительность отопительного периода [сут/год], принимаемые по своду правил для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 °C; t_в — расчётная температура внутреннего воздуха здания, °C; k_об — удельная теплозащитная характеристика здания, [Вт/(м³·°C)]:

где R^пр_o,i — приведённое сопротивление теплопередаче i-го фрагмента теплозащитной оболочки здания, (м²·°C)/ Вт; A_ф,i — площадь соответствующего фрагмента теплозащитной оболочки здания, м²; V_от — отапливаемый объём здания, м³; n_t,i — коэффициент, учитывающий отличие внутренней или наружной температуры у конструкции от принятых в расчёте ГСОП; K_комп — коэффициент компактности здания [м^–1]:

Удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период [кВт·ч/(м²·год)]:

Реально существующие строения, особенно сооружённые в сельской местности методом индивидуального строительства, имеют достаточно низкие значения параметра R в диапазоне от 0,5 до 2,0 [10].

С учётом неравномерности теплопотребления, мощность отопительной системы [кВт] должна быть повышена с целью покрытия пиковых тепловых нагрузок:

На рис. 3 показаны расчётные значения месячного потребления тепловой энергии для дома с достаточно низким уровнем тепловой защищённости (R = 1).

Анализ графика показывает, что основной вклад в теплопотребление сельского дома вносит отопительная нагрузка, существенно изменяющаяся по месяцам отопительного сезона. Максимальные объёмы теплопотребления приходятся на зимние месяцы и имеют достаточно высокие значения, что позволяет рассмотреть возможность использования термического потенциала данной энергии для одновременного производства электрической энергии при помощи современных термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

Для указанного дома (40 м², R = 1) для климатических условий Уральского региона (ГСОП = 5500) ежемесячное потребление тепловой энергии (рис. 4) позволит произвести с использованием ТЭГ определённый объём электроэнергии [11]:

где Р — мощность, отдаваемая ТЭГ во внешнюю цепь, Вт; a — коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС), Вт/ °C; m — отношение сопротивлений нагрузки и термоэлектрического модуля; Δt — разность температур нагреваемого и охлаждаемого электродов ТЭГ, °K; N — число пар термоэлектрических элементов в ТЭГ; r — внутреннее электрическое сопротивление модуля при рабочих температурах, Ом.

Общая эффективность работы термоэлектрической станции (ТГЭС) оценивается величиной коэффициента полезного действия:

где Р и Q — электрическая мощность в нагрузке и общая тепловая мощность, выделяющаяся при сгорании топлива.

Современные ТЭГ, основанные на использовании полупроводниковых материалов (теллурид висмута Bi2Te3), обеспечивают преобразование тепловой энергии в рабочем диапазоне температур (< 250 °C) в электрическую с эффективностью (ηТЭГ) на уровне 3 % [12–13].

Обсуждение полученных результатов

Вследствие естественных законов изменения в годовом цикле приходов солнечной радиации, температуры окружающего воздуха и потребностей в отоплении — возникает возможность эффективного комбинированного производства электрической энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей (в летний период) и тепловой энергии отопительных устройств (в зимний период) с использованием термоэлектрических генераторов. В обобщённом виде объём произведённой комбинированной установкой энергии является функцией от ряда следующих факторов:

Э = Φ(q_сол, F_ФЭП, h_ФЭС, V_от, ГСОП, R, η_печ, η_ТЭГ, η_ТЭГС), (11)

где q_сол — удельный приход солнечной энергии, кДж/(м²·мес.); F_ФЭП, h_ФЭС — площадь поверхности и КПД ФЭП; V_от, ГСОП и R — отапливаемый объём, климатический фактор (ГСОП) и сопротивление теплового контура здания; η_печ, η_ТЭГ, η_ТЭГС — КПД отопительных устройств, ТЭГ и системы нагрева и охлаждения электродов ТЭГС.

Так как в реальных условиях мощность, вырабатываемая ТЭГС, значительно снижается при уменьшении разности температур и невозможности подвода к ТЭГС всего объёма тепловой энергии от отопительного устройства, фактические значений общего электрического КПД ТЭГС существенно ниже, чем потенциально возможно для современных термоэлектрических преобразователей [2]. На рис. 4 приведены результаты расчётного производства электроэнергии для рассматриваемого дома — для климатических условий Уральского региона. Расчёты показывают, что социальный минимум энергопотребления (50 кВт·ч в месяц) может быть обеспечен ТГЭС с КПД = 1 % и ФЭС с КПД = 15 % общей площадью 6 м².

Приведённые данные показывают достаточность данной системы для обеспечения социального лимита энергопотребления во все месяцы года. Очевидно, что в летний период производимая ФЭС энергия превышает уровень лимита более чем в два раза. Снижение данной неравномерности может быть достигнуто повышением эффективности термоэлектрической генерации в зимний период. Для этого необходимо:

организация подвода тепловой энергии в непрерывном режиме, что достаточно легко обеспечивается для отопительных устройств на газообразном и жидком топливе, а также автоматизированных котлов на твёрдом пеллетном топливе (в случае использования традиционного дровяного топлива данная задача решается применением котлов медленного горения типа «Ермак»);
поддержание в процессе горения максимально возможного градиента температур между нагреваемым и охлаждаемым электродам ТЭГ;
поддержание возможно более низкой температуры охлаждаемого электрода;
использование большей части тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива для подвода к нагреваемым электродам ТЭГ;
исключение потребления электрической энергии на собственные нужды установки.

Реализация только двух последних мероприятий позволит вырабатывать на отопительной нагрузке в январе-декабре более 2 кВт·ч в сутки, что соответствует электрическому КПД печи выше 2 % и позволит обеспечить необходимый уровень энергоснабжения дома при снижении установленной мощности фотоэлектрической станции.

Выводы

1. Необходимый для полноценной жизнедеятельности объём тепловой энергии в северных климатических условиях в зимний период достаточно велик и позволяет ставить вопрос о создании когенерационных термоэлектрических установок, генерирующих электрическую энергию на отопительной нагрузке. Особое значение данная проблема имеет в сельской местности из-за относительно низкой тепловой защиты частных домов, больших расходов тепловой энергии и топлива.

2. В летний период года приход солнечной энергии в большинстве регионов страны достаточен для использования современных фотоэлектрических преобразователей.

3. Для реализации возможностей термоэлектрического электроснабжения автономных потребителей необходима разработка специализированных печных систем, обеспечивающих в течение всего периода горения топлива постоянный уровень температуры ТЭГ и максимальное поступление к ним выделяющейся при горении топлива тепловой энергии.

4. Прогресс в области создания малоэнергоёмкого осветительного оборудования, телевизионной, холодильной и другой бытовой техники и средств связи делает возможным использование современных полупроводниковых фотои термоэлектрических преобразователей для производства необходимого количества электрической энергии при достижении полного коэффициента преобразования теплоты в электричество более 0,5–1,0 %.

Comments

В этой теме еще нет комментариев