Исполнитель: Шевцова Юлия Евгеньевна, 541 об
Научный руководитель: Ожигова Нина Михайловна
Энергосберегающая тепловая энергоустановка на основе ВИЭ
Введение При развитии технологий, используемых в энергетике, можно выделить два основных направления: разработка инновационного оборудования и замена распространенных топливных технологий альтернативными. Последнее предполагает в том числе вовлечение в энергобалансы возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одним из таких решений является система теплоснабжения (СТС) на основе ВИЭ, состоящая из подсистем генерации, аккумулирования и потребления тепловой энергии.
Наибольшее распространение по площади территории имеют солнечная и ветровая энергии, а также низкопотенциальное тепло, которые доступны практически повсеместно, но с различными потенциалами их использования.
Система теплоснабжения на основе ВИЭ В данном разделе предлагается система теплоснабжения (СТС) на основе возобновляемых источников энергии, состоящая из подсистем генерации, аккумулирования и потребления тепловой энергии. Высокая энергоэффективность системы обеспечивается за счет комплексного использования инновационных ветро- и гелиоустановок. Выработка тепла в ветроустановке осуществляется преобразованием энергии давления в тепловую при движении теплоносителя по гидроконтуру за счет объемного насоса, установленного на валу ветроколеса. В гелиоустановку дополнительно включен обратный (антигравитационный) термосифон, обеспечивающий передачу тепла в направлении действия сил гравитации (сверху вниз) на расстояние нескольких метров без затрат электроэнергии. Предлагаемая СТС ориентирована на обеспечение тепловой энергией объектов в регионах с высокой стоимостью топлива (как правило, привозного) и предполагает обеспечение следующих основных свойств:
- повышение степени использования ВИЭ за счет включения в схему одновременно гелио- и ветроустановок;
- упрощение технологической схемы путем исключения электрогенераторов в ветроустановке и электродвигателей в гелиоконтуре и в контуре системы отопления;
- максимальное использование для переноса теплоты ветровой энергии и гравитационных сил.
Структурная схема ветро-солнечной СТССТС сформирована из четырех подсистем (Рисунок 1):
- преобразование ветровой энергии в тепловую и передача ее в теплоаккумулятор объемным насосом, установленным на валу ветроколеса (подсистема генерации теплоты);
- преобразование солнечной энергии в тепловую и теплоотведение от гелиоколлекторов в нижерасположенный теплоаккумулятор с помощью обратного термосифона (подсистема генерации теплоты);
- гравитационная система отопления здания с дублирующим источником теплоты (подсистема теплопотребления);
- подсистема аккумулирования теплоты.
Рисунок 1.Принципиальная схема ветро-солнечной СТС
При отсутствии автоматики, требующей электропитания, регулирование в процессе функционирования рассматриваемой системы теплоснабжения осуществляется на базе трех основных термостатических вентилей (ТВ) :
Вентиль ТВ1 предназначен для предварительного нагрева теплоносителя в ветронасосном агрегате и предотвращения охлаждения теплоаккумулятора. При начале работы ветронасосного агрегата ТВ1 обеспечивает циркуляцию теплоносителя по малому контуру через перемычку перед теплоаккумулятором. При нагреве теплоносителя до заданной температуры вентиль ТВ1 открывается в направлении к теплоаккумулятору.
Вентиль ТВ2 служит для предотвращения перегрева теплоносителя в теплоаккумуляторе. При достижении максимальной температуры теплоносителя в обратном трубопроводе вентиль ТВ2 закрывается, ветронасосный агрегат прекращает теплогенерацию. При этом благодаря вентилю ТВ1 в малом контуре поддерживается заданная температура теплоносителя, что позволяет при открытии вентиля ТВ2 единовременно организовать теплопоступление в теплоаккумулятор от ветронасосного агрегата.
Вентиль ТВ3 обеспечивает количественное регулирование теплопоступления в систему отопления по температуре в обратном трубопроводе данной системы. Кроме того, при теплоснабжении от дублера благодаря вентилю ТВ3 излишки тепла сбрасываются в теплоаккумулятор. При открытом вентиле ТВ3 и работающем дублере циркуляция теплоносителя осуществляется через систему отопления за счет большего температурного напора по сравнению с контуром теплоаккумулятора.
Генерация теплоты с использованием энергии ветра Для генерации теплоты с использованием энергии ветра рассматриваемая СТС включает ветронасосный агрегат (Рисунок 2).
Рисунок 2.Блок-схема ветронасосного агрегата
СТС комплектуется преимущественно многолопастными ветродвигателями. Применение быстроходных ветродвигателей возможно в совокупности со вспомогательными устройствами (центробежные муфты, редукторы). Использование объемных насосов в составе ветронасосного агрегата обосновывается жесткостью их характеристики (H > ∞) и герметичностью, что позволяет совместить функции движителя с гидротормозом для ветроколеса и регулятором его частоты вращения . Это позволяет регулировать в широком диапазоне частоту вращения ветроколеса изменением сопротивления.
В отличие от известных решений ветроустановок с электрогенераторами работа ветронасосного агрегата не связывается с промежуточным получением электроэнергии, а основана на термодинамическом законе преобразования энергии потока жидкости (энергии давления) в тепловую . Лабораторные исследования выработки тепла, проведённые учёными, таким способом показали, что эффективность преобразования механической энергии в тепловую с учетом потерь на собственные нужды составила около 90 % .
Генерация теплоты с использованием энергии Солнца Гелиоустановка в составе СТС включает солнечные коллекторы и обратный термосифон, обеспечивающие передачу тепла в направлении действия сил гравитации (сверху вниз) на требуемое расстояние без дополнительных затрат электроэнергии. Принцип действия обратного термосифона основан на использовании теплоаккумулирующих теплоносителей с переменной плавучестью . Расчетная мощность обратного термосифона регулируется за счет изменения свойств и количества входящих в их состав теплоносителей.
Подбор гелиоустановки ведется с применением математических моделей солнечных установок с естественной циркуляцией теплоносителя. Обратный термосифон конструируется с решением задач тепломассообмена (Рисунок 3).
Рисунок 3.Схема подключения солнечного коллектора (СК) и обратного термосифона (ОТС)
Снижение теплопотерь в гелиоустановке, в том числе в периоды отсутствия солнечной радиации (в ночные и пасмурные часы), достигается размещением солнечных коллекторов ниже верхнего уровня обратного термосифона с целью исключения циркуляции теплоносителя с естественной конвекцией через солнечный коллектор и теплоизоляцией термосифона. Кроме того, термическое сопротивление промежуточной зоны, которое в случае с однофазными термосифонами оказывает отрицательное влияние , в рассматриваемом обратном термосифоне играет положительную роль. Устойчивость работы ОТС получила подтверждение в ходе проведенных экспериментов. Предлагаемая конструкция гелиоустановки характеризуется простотой и экономичностью по сравнению с аналогичными установками с насосной циркуляцией теплоносителя. Основные преимущества при сравнении с решениями:
- на базе тепловых труб - большие расстояния теплопереноса, в то время как для известных тепловых труб расстояние ограничено величиной капиллярного давления, которое составляет около 1 м вод. ст. Так, максимальная из представленных высот капиллярного подъема составляет 157 см для фитиля тепловой трубы, выполненного из спеченного медного порошка;
- с обратными двухфазными термосифонами - беспрерывность циклов теплопереноса при теплопоступлении от солнечного коллектора, отсутствие вспомогательных устройств (концентраторы, вспомогательные конденсаторы и др.) и теплозатрат на реализацию термодинамического цикла.
Аккумулирование и потребление тепла Аккумулирование тепла в системе теплоснабжения предусматривается в емкостном теплоаккумуляторе, объединяющем обе подсистемы генерации тепла на основе ВИЭ и подсистему теплопотребления. Для обеспечения температурной стратификации теплоаккумулятор следует выполнять из отдельных секций. Подключение обратного термосифона может быть выполнено: с непосредственным его размещением в теплоаккумуляторе (Рисунок 1), для снижения теплопотерь с размещением конденсаторной части обратного термосифона ниже теплоаккумулятора, что предотвратит естественную циркуляцию из теплоаккумулятора в термосифон.
Система отопления предусматривается гравитационная, с естественной циркуляцией теплоносителя.
Регулирование технологических процессов В данной системе теплоснабжения предусматривается регулирование следующих аспектов:
- производительности ветронасосного агрегата;
- процессов зарядки/разрядки теплоаккумулятора.
Для рассматриваемого ветронасосного агрегата выбраны два метода регулирования:
- Изменение гидравлического сопротивления сети с применением регулирующего вентиля (Рисунок 4а). Схема ВНА с устройством автоматики по данному методу регулирования представлена на рисунке 5.
- Параллельное включение нескольких насосов с подключением их при достижении ветроколесом ВК заданной скорости вращения за счет центробежных муфт ЦМ (Рисунок 4б).
Рисунок 4.Блок-схема регулирования производительности ветронасосного агрегата (ВНА) за счет изменения: а) гидрав- лического сопротивления сети; б) количества работающих насосов
Рисунок 5.Схема ветронасосного агрегата при регулировании с изменением сопротивления гидроконтура
Итак, данная система теплоснабжения позволяет обеспечить повышение степени использования ВИЭ за счет комбинированного использования энергии ветра и Солнца. Перенос теплоты в системе теплоснабжения организован с использованием инновационных ветро- и гелиоустановок под действием механической энергии ветронасосного агрегата и гравитационных сил в обратном термосифоне.
Литература Аверьянов В. К., Толмачев В. Н., Мележик А. А. Улучшение экономических показателей ветроустановок за счет применения новых технических решений // Наука и техника в газовой промышленности. 2013. № 1.
Елистратов В. В., Аронова Е. С. Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения : Учебное пособие. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012.
