Гибридная система тепло-и электроснабжения применительно к жилому сектору Иордании

Задача обеспечения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства электрической и тепловой энергией, особенно в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, а также более глобальные проблемы энергоснабжения в будущем и обеспечения экологической чистоты, приводят к необходимости развития малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики.

Малая и нетрадиционная энергетика — область хозяйства, охватывающая производство, передачу, накопление и потребление электрической и тепловой энергии, получаемой за счет использования малых месторождений ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа, торфа, имеющих местное значение, и нетрадиционных возобновляемых источников энергии (в частности. солнечной энергии).

Комплексное освоение местных ископаемых и нетрадиционных источников энергии позволит решить серьезные социально-экономические и энергетические проблемы, например, в России [70]:

— обеспечения бытовых потребителей на более чем 70% территории России с населением около 22 млн. человек, в настоящее время не охваченных системой централизованного энергоснабжения;

— повышения надежности энергоснабжения всех районов страны за счет создания резервных источников;

— снижения вредных воздействий энергетики на природную среду посредством использования экологически чистых новых и возобновляемых источников энергии и постепенной замены ими традиционных источников с загрязняющими отходами производства.

Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. тонн условного топлива (т.у.т), а торфа-10 млрд. т.у.т. Потенциальные возможности новых и возобновляемых источников энергии составляют в год: энергии Солнца — 2300 млрд. т.у.т.- энергии ветра — 26,7 млрд. т.у.т.- энергии биомассы — 10 млрд. т.у.т.- тепла Земли — 4000 млрд. т.у.т.- энергии малых рек — 360 млн. т.у.т.- энергии морей и океанов — 30 млн. т.у.т.- энергии вторичных низко потенциальных источников тепла — 530 млн. т.у.т. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России, который составляет 1,2 млрд. т.у.т. в год, что создает перспективы полного решения энергетической и экологической проблемы в будущем.

Экономически целесообразный потенциал органического топлива местных месторождений составляет около 870 млн. т.у.т., а экономически целесообразный потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии — примерно 270 млн. т.у.т. в год, что позволяет уже в ближайшие годы перевести многие регионы страны на энергоснабжение за счет таких источников, обеспечив их энергетическую независимость.

Например, в Иордании основными местными источниками энергии является:

— не возобновляемые источники: природный, органический газ и масляный камень;

— возобновляемые источники: энергии ветра и солнца.

Общая сумма выработанной в 1999 г электроэнергии составляет 7081 ГВт. ч, из них 6652 ГВт. ч выработано государством и 429-производством. Государство вырабатывало 5745 ГВт. ч засчет паровых станций, 147 ГВт. ч-природного газа, 9 ГВт. чмазута, 734 ГВт. чорганического газа, 14 ГВт. ч-гидростанци^ и 3 ГВт. чветровой энергии, а промышленность- 396 ГВт. ч засчет паровых станций и 33 ГВт. ч засчет мазута. На одного человека расходуется 1444 КВт. ч электроэнергии. Количество требуемого тяжелого топлива составило 1520 ТЫС.Т., природного газа- 216 ТЫС.Т., мазута- 61 ТЫС. Т [59]. Основными направлениями промышленности Иордании являются: легкая, химическая, фармакологическая промышленность, производство электрооборудования, машиностроение, цементное производство, добыча фосфатоз и минералов из Мертвого моря. Для обслуживания основных видов промышленного производства в Иордании.

Я" имеются отдельные предприятия металлообрабатывающей промышленности, в строительном комплексе участвует ряд предприятий цементной промышленности. Существуют предприятия по переработке нефти, поступающей в Иорданию из соседних стран.

Особенностью современного состояния научно — технических разработок и практического использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии является высокая стоимость получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками и относительно низким КПДв то же время существует устойчивая во времени тенденция снижения стоимости нетрадиционных возобновляемых источников энергии, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и тенденция повышения стоимости традиционных ископаемых источников энергии, обусловленная их истощением и усложнением технологии добычи.

Существуют районы страны, где по экономическим и экологическим условиям целесообразно приоритетное развитие малой индивидуальный и нетрадиционной энергетики, в том числе [70]:

— зоны децентрализованного энергоснабжения с низкой плотностью населения;

— зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом мощности и значительными потерями в сельскохозяйственном производстве из-за частых отключений энергосети;

— города и места массового отдыха населения со сложной экологической обстановкой из-за вредных выбросов в атмосферу промышленных и городских котельных на органическом топливеX.

— зоны с проблемами энергоснабжение индивидуального жилья, фермерских хозяйств, мест сезонной работы, садово-огородных строений.

В разработке методов использования новых и возобновляемых источников энергии и технологического оборудования для освоения местных видов топлива Россия имеет заметные результаты на уровне, а в ряде направлений выше., мировых достижений. При этом выявлены большие потенциальные возможности повышения эффективности использования источников и снижения стоимости получаемой теплои электроэнергии, что обеспечивает широкие перспективы решения энергетических и экологических проблем в будущем. Однако по объему научно — исследовательских и опытно — конструкторских работ, а тем более по объему производства оборудования и установок малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики^ Россия / резко отстает как от ведущих, так и от большего числа развивающихся стран.

В настоящее время использование местных топливных ресурсов и нетрадиционных источников энергии не превышает 1% от годового энергопотребления страны.

Тем не менее, в России разработана и промышленно выпускается достаточно широкая номенклатура оборудования и установок малой индивидуальной и нетрадиционной энергетики.

Актуальность темы

диссертации. Большое место в исследованиях нетрадиционных источников энергии Иорданского государства занимает солнечная энергия, которая составляет 2000 КВт. ч/м2, хотя до сих пор реализованное промышленное тепловое и электрическое оборудование имеет низкий КПД из-за большой потери этой энергии. В настоящее время оба вида оборудования применяются независимо друг от друга, что приводит к повышению капитальных затрат, занимаемой площади и низкой эффективности. В связи с низким КПД используемых систем исследование гибридной системы является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является создание новой гибридной системы для обеспечения режима автономного снабжения объекта тепловой и электрической энергиейповышение эффективности работ фотоэлементов при их охлаждении.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

• изучение физических основ фотоэлементов и принципов их работы.

• проведение экспериментальных и численных исследований течения и теплообмена в канале гибридного коллектора.

• экспериментальные исследования вольтамперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента и разработка метода расчета термодинамического КПД фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии. энергетический анализ и выбор наилучшего типа гибридного коллектора для применения в гибридной системесоставление математической модели, описывающей работу гибридной системы. применение гибридного коллектора в режиме снабжения автономного объекта.

Использование гибридного коллектора для добычи воды.

Научная новизна:

1. Получены новые количественные данные о зависимости КПД фотоэлемента от температурыпоказано, что наличие ребер позволяет уменьшить температуру фотоэлемента или черной пластины по сравнению с плоским каналом.

2. Получены новые данные по характеристикам элементов гибридного коллектора^ по температурам черной пластины (ТР), фотоэлемента, изоляции (Ть), первого и второго стекла ((Tgi) и (Tg2)), теплоносителя (Tf))y КПД фотоэлемента.

3. Выбраны конструкции новой гибридной системы, обеспечивающие максимальную тепловую, электрическую или суммарную выработку энергии.

4. Впервые проведен эксперимент, описывающий изменение ВАХ фотоэлемента при изменении его температуры.

5. Исследована новая система электрического, теплового и горячего водоснабжения в конкретном доме, находящемся в королевстве Иордания на 31 широте.

6. Произведен расчет коэффициента замещения при применении гибридной системы или солнечного гибридного коллектора в сравнении с традиционными источниками-типичными для Иордании.

7. Исследованы возможности работ гибридного коллектора для решения важнейшей проблемы добычи воды в странах с территориями, близкими к пустыням.

Практическая ценность:

Созданная система откроет новые области применения солнечных гибридных коллекторов", даже в тех местах, которые снабжены тепловой и uein электрической энергии, так как с точки зрения экономики она оправдает себя. Фотоэлемент имеет более длительный срок службы при его охлаждении. Требуется меньшая площадь поверхности для получения суммарной, тепловой и электрической энергии. Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы: при проектировании новых гибридных систем и их испытании, при проектировании теплонапряженного энергетического оборудования с целью сокращения габаритов, оптимизации характеристик течения, экономии энергоресурсов, уменьшении стоимости гибридной системы, а также для разработки, оптимизации, конструирования и производства солнечных установок, имеющих высокую эффективность при капитальных допустимых затратах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Получен температурный коэффициент напряжения для кремниего фотоэлемента.

2. Создана методика для расчета термодинамического КПД фотоэлемента.

3. Получен новый график эффективности экономических показателей, описывающий срок окупаемости гибридной системы в зависимости от площади гибридных коллекторов.

4. Получены новые количественные данные о зависимости КПД фотоэлемента от температурыпоказано, что наличие ребер позволяет уменьшить температуру фотоэлемента или черной пластины по сравнению с плоским каналом.

5. Получены новые данные по характеристикам элементов гибридного коллекторапо температурам черной пластины (ТР), фотоэлемента, изоляции (Ть), первого и второго стекла ((Tgi) и (Тёг)), теплоносителя (Tf) — КПД фотоэлемента.

6. Выбраны конструкции новой гибридной системы, обеспечивающие максимальную тепловую, электрическую или суммарную выработку энергии.

7. Впервые проведен эксперимент, описывающий изменение В АХ фотоэлемента при изменении его температуры.

8. Исследована новая система электрического, теплового и горячего водоснабжения в конкретном доме, находящемся в королевстве Иордания на 31 широте.

9. Произведен расчет коэффициента замещения при применении гибридной системы или солнечного гибридного коллектора в сравнении с традиционными источниками, типичными для Иордании. >

10. Исследованы возможности работ гибридного коллектора для решения важнейшей проблемы добычи воды в странах с территориями, близкими к пустыням.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

F' - коэффициент эффективности поглощающей панели;

Ft — коэффициент нагрева теплоносителя;

Ul — общий коэффициент тепловых потерь, [Вт/м2.К];

Ut — потери с верхней поверхности солнечного коллектора, [Вт/м2.К];

Ub — потери с нижней поверхности солнечного коллектора, [Вт/м2.К];

ас — конвективный коэффициент теплоотдачи, [Вт/м2.К];

аг — радиационный коэффициент теплопередачи, [Вт/м2.К];

L — длина канала солнечного коллектора, [м];

W — ширина канала солнечного коллектора, [м];

Н — высота канала солнечного коллектора, [м];

Ас — площадь солнечного коллектора, [м2];

Т." - температура окружающей среды, [К];

Тр — температура поглощающая пластины, [К]- V/.

Tg — температура стекла, [К];

Tf — температура тепло носителя, [К]- х.

Fr — коэффициент отвода тепла из солнечного коллектора;

(та) — оптический КПД солнечного коллектора;

Qu — полезная энергия, [Вт];

Qt. полезная тепловая энергия, [Вт];

Qe. полезная электрическая энергия, [Вт];

Qs — суммарная полезная энергия, [Вт];

ша — массовой расход воздуха, [кг/с]- у.

mw — массовой расход воды, [кг/с]- x, y, z — декартовы^ координаты, [м];

и — продольная составляющая скорости, [м/с];

v — поперечная составляющая скорости, [м/с];

р — плотность, [кг/м ];

X — коэффициент теплопроводности, [Вт/м.К];

Ср — удельная теплоемкость, [Дж/кг.К];

v — коэффициент кинематической вязкости, [м2/с]- I — интенсивность радиационного потока, [Вт/м2]- S — падающее на абсорбер излучение, [Вт/м2]- Cf — коэффициент трения;

Е — кинетическая энергия турбулентности, [м2/с2]- Тиоо — степень турбулентностиu', v', w' - пульсации скорости, [м/с];

т — напряжение Рейнольдса, [м2/с2];

у* - динамическая скорость, [м/с];

+ У — универсальная координата, [м];

+ и — безразмерная скорость;

Re — число Рейнольдса;

Рг — число Прандтля;

St — число Стантона.

ВЭУ — ветровая энергоустановка;

ГЭС — гидроэлектростанция;

СФЭУ — солнечная фотоэлектрическая станцияГеоТЭУ — геотермальная энергоустановкаГБМ — газификация биомассыГСВАЛ — газ свалок;

ИспГО — использование городских отходов;

ПЭС — приливная электростанция;

ВлЭС — волновая электростанция;

ГТУ — комбинированные газотурбинные;

ТЭСУ — теплоэлектростанция на угле;

ТЭСУЭ — экологически чистые теплоэлектростанция на.

АЭС — атомная электростанция;

К.П.Д. — коэффициент полезного действия;

Лкол — КПД солнечных коллекторов;

СЭ — солнечные элементы;

Кс — концентрированные солнечные элементы;

Uxx — напряжение холостого хода, В;

ВАХ — вольтамперной характеристики;

ОАг’ч.,'- ' 1.

(F) — фактор зопольнения- ^.

Лт.ик — КПД теоретический идеального кремнярт — температурный коэффициент КПД;