Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

УДК 697.7

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗАСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ КОМБІНОВАНОЇ ГЕЛІОСИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

Спеціальність 05. 14. 08 - перетворювання відновлюваних видів енергії

Левченко Сергій Андрійович

Київ _ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник--доктор технічних наук, професор Качан Юрій Григорович, завідувач кафедри енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії МОН України.

Офіційні опоненти:-доктор технічних наук, професор Сафонов Володимир Олександрович, завідувач кафедри енергозбереження і нетрадиційних джерел енергії Севастопольського національного університету ядерної енергії та промисловості Мінпаливенерго України;

кандидат технічних наук, доцент Пуховий Іван Іванович, доцент кафедри теоретичної та промислової теплотехніки Національного технічного університету України “КПІ” МОН України.

Захист відбудеться “ 21 ” квітня 2009 р. об 11 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 в Інституті відновлюваної енергетики НАН України, за адресою:02094, м.Київ, вул. Червоногвардійська, 20 _ А.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України за адресою (02094, м. Київ, вул. Червоногвардійська, 20 _ А).

Автореферат розіслано “ 16 ” березня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т.В. Суржик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стан впровадження систем сонячного теплопостачання у житлово-комунальне господарство потребує суттєвого удосконалення відомих технічних рішень. В системах сонячного теплопостачання, що застосовуються, здебільшого потрібна дублююча установка. При її використанні в якості догрівача води покращуються техніко-економічні показники системи, так як ефективність самого геліоперетворювача зі збільшенням температури падає. Найбільш доцільним виходом з ситуації, що склалася, на сьогоднішній день є використання та підвищення ефективності комбінованих геліосистем гарячого водопостачання.

Відомо, що в електричних мережах існує так званий позапіковий тариф на електроенергію, який майже у п'ять разів менше пікового, але діє тільки у визначений проміжок часу протягом доби. Доступність електричної енергії у кожнім будинку і незавантаженість мереж у нічний час говорить про доцільність її використання в якості дублюючого джерела систем гарячого водопостачання.

Більш того, пристроєм, який дозволить використати електроенергію в геліосистемах теплопостачання повинен бути електричний перетворювач з теплоакумулюючими властивостями. Співвідношення ж потужностей останнього та самої геліосистеми потрібно вибирати в залежності від вартості самої геліосистеми та тарифу на електроенергію, щоб мінімізувати сумарні річні витрати за умови надійного покриття теплового навантаження будинку.

Таким чином, створення технічних та алгоритмічних засобів, що дозволяють оптимізувати параметри комбінованих геліосистем гарячого водопостачання за економічним критерієм, з урахуванням існуючого позапікового тарифу на електроенергію, цін на комплектуюче й енергетичне устаткування системи сонячного теплопостачання є в даний час достатно актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії за пріоритетним напрямком Міністерства освіти і науки України “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” у рамках держбюджетної роботи “Розробка методів розрахунку і проектування автономних систем енергопостачання на базі відновлюваних джерел енергії” (№ ДР 0107U001221). В даній науково-дослідній роботі особисто здобувачем розроблено методи розрахунку і проектування комбінованих геліосистем гарячого водопостачання з надійним покриттям теплового навантаження.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності та надійності покриття теплового навантаження геліосистемами гарячого водопостачання шляхом використання в якості дублюючого джерела електричного теплоакумулюючого перетворювача, що працює на позапіковій електроенергії й оптимізації параметрів останньої та системи сонячного теплопостачання за економічним критерієм.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі поставлені і вирішені наступні задачі:

_ створено конструкцію електричного теплоакумулюючого перетворювача, що працює за принципом прямого об'ємного розтікання струму в теплоакумулюючому матеріалі;

_ розроблено математичну модель розподілу електричної потужності в об'ємі зазначеного перетворювача;

_ сформульовано задачу оптимізації параметрів електричного теплоакумулюючого перетворювача й вибрано спосіб її розвязання;

_ розроблено математичну модель характеристик навколишнього середовища (температура на сонці та у затінку, хмарність), що застосовуються при розрахунках систем сонячного теплопостачання;

_ алгоритмічно реалізовано генератор температур та хмарності;

_ запропоновано структуру й складові комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання, що використовує в якості додаткового джерела позапікову електроенергію за межами дії її тарифу;

_ розроблено модель комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання, яка враховує динаміку надходження сонячної радіації та характеристики навколишнього середовища;

_ запропоновано методику оцінки економічної ефективності комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання й оптимізації її параметрів за економічним критерієм.

Об'єкт дослідження - комбінована геліосистема гарячого водопостачання.

Предмет дослідження - склад та параметри елементів комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання.

Методи дослідження. Шляхом аналізу ефективності існуючих систем сонячного теплопостачання та тарифів на електроенергію обрані компоненти комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання.

Для дослідження електричних і теплових процесів в запропонованому електричному теплоакумулюючому перетворювачі використане математичне моделювання. Експериментальні дослідження щодо споживання електричної потужності перетворювачем проведені на його фізичній моделі в лабораторії кафедри енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України. Перевірка адекватності розробленої моделі геліосистеми здійснювалася на основі теорії імовірності і математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

_ вперше для розрахунку системи сонячного теплопостачання запропоновано використати щойно створений стохастичний генератор температур та хмарності, який дозволяє для конкретного регіону врахувати вплив характеристик навколишнього середовища на геліосистему;

_ вперше розроблено метод розрахунку комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання з електричним теплоакумулюючим перетворювачем, який забезпечує мінімум сумарних грошових витрат за період її роботи;

_ розвинуто метод оптимізації конструктивних параметрів нового електричного теплоакумулюючого перетворювача за критерієм рівномірності розподілу електричної потужності в об'ємі теплоакумулюючої речовини.

Практичне значення одержаних результатів:

_ розроблено методику визначення конструктивних параметрів комбінованих геліосистем гарячого водопостачання з урахуванням впливу на неї навколишнього середовища (температури на сонці, у затінку та хмарності);

_ створено алгоритмічні засоби, що дозволяють оптимізувати конструкцію електричного теплоакумулюючого перетворювача для комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання з метою зниження затрат на експлуатацію останньої.

_ розроблено модель комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання, яка пройшла перевірку на адекватність й застосовується у Кримській тепловій компанії, що підтверджено актом і протоколом даної організації;

_ запропоновано методику оптимізації комбінованих геліосистем гарячого водопостачання, яка схвалена і прийнята для використання, про що свідчить акт її впровадження в Інституті енергетичних досліджень, м. Запоріжжя.

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення, що винесені на захист, отримані здобувачем самостійно. Серед них:

_ створення математичної моделі стохастичного генератора хмарності і температур;

_ проведення необхідних розрахунків і досліджень роботи електричного теплоакумулюючого перетворювача;

_ створення алгоритму визначення оптимальних параметрів комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання;

_ експериментальні дослідження, які увійшли в дисертаційну роботу, виконані безпосередньо автором при участі співробітників кафедри енергетичного менеджменту, що знайшло відображення у спільних публікаціях.

В роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: в [1] _ вказано шлях розрахунку об'ємного розподілу потужності в електричному теплоакумулюючому перетворювачі; в [2] _ розглянуто математичні схеми моделювання систем сонячного теплопостачання; в [3] _ розглянуто методику визначення оптимальних значень основних конструктивних параметрів електричного теплоакумулюючого перетворювача для систем сонячного теплопостачання з використанням запропонованої математичної моделі. Обгрунтовано критерій і спосіб отримання цільової функції для оптимізації; в [4] _ розглянуто питання надходження сонячної радіації на автономну геліосистему гарячого водопостачання.

Запропоновано структуру генератора хмарності та температури; в [5] _ запропоновано схему фізичної і структуру математичної моделей електричного теплоакумулюючого перетворювача; в [6] _ поставлено задачу підвищення енргоефективності систем гарячого водопостачання за рахунок використання електричного теплоакумулючого перетворювача, який споживає позапікову електроенергію. Розглянуто шляхи вирішення цієї задачі; в [7] _ розглянуто методи моделювання потоку сонячної радіації.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати та висновки дисертаційної роботи доповідались автором, обговорювались та отримали схвальні відгуки на: X науково-технічній конференції студентів, магістрантів, аспірантів і викладачів Запорізької державної інженерної академії, (м. Запоріжжя, 18-22 квітня 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Енергоефективність 2005”, (м. Одеса, 14 жовтня 2005 р.); VII Міжнародній конференції “Відновлювана енергетика XXI століття”, (АР Крим, смт. Миколаївка, 11-15 вересня 2006 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 4 статті у наукових фахових журналах, 3 тези доповідей у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, додатків і списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи становить 203 сторінки, у тому числі 122 сторінки основного тексту, 34 рисунки, 4 таблиці, 3 додатки на 66 сторінках, список використаних джерел із 146 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та публікації.

У першому розділі “Аналіз стану використання та ефективності існуючих геліосистем гарячого водопостачання” показані перспективи та напрямки розвитку сонячної енергетики, а саме: розробка та застосування сонячних енергоустановок з обмеженим рівнем потужності для енергопостачання дрібних автономних споживачів і створення потужних сонячних енергетичних станцій для централізованого постачання.

Розглянуті існуючі методики оцінки ефективності систем перетворення сонячної енергії в тепло та умови доцільності застосування її для гарячого водопостачання. Наведені особливості методики, що застосовується для розрахунку капіталовкладень та термінів економічної й енергетичної окупності. Проведено аналіз існуючих схем геліосистем гарячого водопостачання.

Розглянуті проекти уніфікованих сонячних систем гарячого водопостачання, які розроблені Київським зональним науково-дослідним інститутом експериментального проектування, як малої (2 м³/доб), так і більшої (до 50 м³/доб) продуктивностей з відбором води двох різних температур.

Проаналізовані методи дослідження та проектування геліосистем гарячого водопостачання: на математичних моделях з застосуванням електронно-обчислювальної машини; за рівняннями регресії; f-метод. Виявлено їх недоліки. Показано, що найбільш доцільними є комбіновані геліосистеми з дублюючим джерелом, що працює на позапіковій електроенергії.

На підставі виконанного аналізу за наведеними літературними джерелами були визначені основні напрямки досліджень.

Другий розділ “Математичне моделювання геліосистем гарячого водопостачання” присвячений розробці математичної моделі останньої, яка б урахувала стохастичність характеристик навколишнього середовища (хмарності та температури у затінку та на сонці).

Як відомо, проектування геліосистем гарячого водопостачання пов'язане з проведенням комплексу складних техніко-економічних розрахунків. Залежність геліосистем гарячого водопостачання від зовнішніх умов призводить до нестаціонарності режимів їх роботи, наслідком чого є невизначеність розрахункових характеристик, що використовуються при проектуванні.

Теплову модель геліосистеми гарячого водопостачання можна представити у вигляді окремих ділянок з рівномірним полем температур. Кожна ділянка цієї моделі описується системою диференційних рівнянь. Так для системи плоских колекторів рівняння теплового балансу має вигляд:

; i = 1,…,m₁,(1)

а для теплопроводу

,(2)

де g_ni - витрата теплоносія через і-й колектор n-го ряду; c_ni, c_b, - питома теплоємність окремих колекторів і теплоносія; t^'_ni, t^''_ni - температури на вході й виході колектора; t_sni - середня інтегральна температура колектора; t₀ - температура навколишнього середовища; u_ni - коефіцієнт теплопередачі і-го колектора n-го ряду, H - потік сонячної радіації, Вт/м²; S_ni - площа сонячного колектора, м²; N - кількість рядів колекторів; m₁ - кількість послідовно з'єднаних колекторів; j, l - відповідні ділянки системи.

Запропоновано доповнити рівняння (1) стохастичною частиною щодо визначення коефіцієнта пропускання сонячної радіації хмарністю. Крім того, при проектуванні геліосистем необхідно враховувати зміну протягом доби температури зовнішнього повітря як на сонці, так і у затінку. Це пов'язано з тим, що ці температури достатньо різняться: частина устаткування (сонячний колектор) перебуває під дією прямого сонячного випромінювання, тоді як інша _ знаходиться у затінку (теплопроводи).

Очевидно, що температура у зазначених рівняннях (1), (2) не може прийматися однаковою і сталою. Отже, розглянута модель системи сонячного теплопостачання з урахуванням запропонованих змін більше відповідає поставленій задачі і дозволяє точніше розрахувати шукані параметри.

В роботі створено математичну модель стохастичного генератора хмарності й температури навколишнього середовища, в якій температура на сонці Т_С залежить від хмарності Х та температури у затінку Т_З, а останні - від атмосферних фронтів, руху повітряних мас і баричних утворень. Таким чином, між цими метеорологічними факторами існує взаємозв'язок.

Виходячи з фізичних подань про останній зроблено припущення, що генерувати самостійно можна тільки хмарність і температуру у затінку, а температуру на сонці _ обчислювати за рівнянням множинної регресії виходячи зі значень двох попередніх. При генерації ж незалежно трьох параметрів утворюватимуться комбінації фізично несумісних значень температур у затінку й на сонці.

Як приклад, згаданий генератор розроблено за даними Запорізького обласного центру з гідрометеорології. Зв'язки між температурою у затінку Т_З і температурою на сонці Т_С , а також хмарністю Х і температурою на сонці Т_С (представлені з інтервалом 3 години за 2006 рік) встановлювались шляхом обчислення коефіцієнтів кореляції. Враховуючи те, що ці коефіцієнти виявилися досить великими ( = 0,927; = 0,935), розглядалося лінійне рівняння множинної регресії:

,(3)

коефіцієнти якого знаходились за методом найменших квадратів:

> min,(4)

де n - об'єм використаних статистичних даних.

У результаті обробки згаданих метеоданих одержали рівняння:

.(5)

Тут значення температур виражені за абсолютною шкалою у градусах Кельвіна, а хмарність Х - у балах.

Перехід на абсолютну шкалу температур обумовлюється необхідністю уникнути від'ємних значень останніх.

Встановлено, що експериментальні спостереження за хмарністю щонайкраще описуються бета-законом з відповідними параметрами розподілу б і в. Ф _ фільтр, що перетворює некорельовані випадкові послідовності в корельовані із заданою автокореляційною функцією. К - блок перетворення температур із градусів Цельсія в градуси Кельвіна.

Блок К_ПР реалізує перетворення хмарності у балах за десятибальною шкалою у коефіцієнт пропускання сонячної радіації хмарністю відповідно до виразу:

.(6)

Проведені річні спостереження хмарності і температури у затінку зазначеного регіону.

Щільність імовірності бета-розподілу складає: для хмарності - б = 0,5 і в = 0,4; для температури у затінку _ б = 4 і в = 2.

Надання послідовностей корельованості згідно з автокореляційною функцією, що реалізується у блоці Ф, проводилось за виразом:

, j = 0; ± 1; ± 2;…,(7)

де m - кількість інтервалів, що покривають тривалість спаду автокореляційної функції випадкового процесу; b_k - коефіцієнти; E(j-k) - стаціонарна одинична некорельована випадкова послідовність.

Для реалізації цього методу попередньо побудовані автокореляційні функції хмарності й температури у затінку і для кожного з них обчислені значення коефіцієнтів b_k шляхом розв'язання системи рівнянь:

;

;(8)

……………….….

,

де R_k - значення центрованої автокореляційної функції у відповідні моменти часу.

Таким чином у рівняння теплового балансу сонячного колектора (1) і теплопроводу (2), складені як детермінована модель безхмарного неба, вводяться дані, одержані зі стохастичного генератора хмарності і температур. Тоді, наприклад, для січня місяця у м. Києві рівняння (1) буде мати вигляд:

(9)

Для підтвердження практичного застосування математичної моделі системи

вона перевірена на адекватність за данними спостережень у Кримській тепловій компанії (м. Севастополь). Об'єм статистичної вибірки склав . При цьому середньо-квадратична відносна похибка прогнозу дорівнює .

У третьому розділі “Розробка та моделювання електричного теплоакумулюючого перетворювача” виконано аналіз способів перетворення електричної енергії в теплову. Показано, що найбільш ефективним з них є електронагрів завдяки опору, а для рівномірного нагріву речовини теплового акумулятора більш доцільно застосовувати пряме розтікання струму в її обємі. Запропонована конструкція та принцип дії перетворювача, розроблена його математична модель та зроблена перевірка її на адекватність.

Конструктивно електричний теплоакумулюючий перетворювач є циліндричною ємністю, що заповнена теплоакумулюючою речовиною, всередині якої вісесиметрично розташовано три електроди (за кількістю фаз). Така конструкція проста, не викликає труднощів при її технічній реалізації і зручна для використання з огляду обтікання теплоносієм, а також дозволяє забезпечити рівномірний нагрів в усьому об'ємі. Принцип роботи перетворювача схожий з принципом роботи печі рудної електротермії. На відміну від останньої тут не можна допускати виникнення фазового переходу речовини (її розплавлення). теплоакумулюючий геліосистема водопостачання

Запропоновано як сформувати тривимірну математичну модель, призначену для розрахунку розподілу активної потужності у баці згаданого перетворювача, у вигляді системи інтегральних рівнянь за методом вторинних джерел. Вирішальна перевага останнього перед іншими полягає у можливості побудови універсальних і ефективних чисельних алгоритмів розрахунку полів, орієнтованих на застосування електроннно-обчислювальної машини і придатних для неоднорідних середовищ і складних форм границь розподілу середовищ.

Розрахунок електромагнітних полів методом вторинних джерел зводиться до розвязання інтегральних рівнянь Фредгольма II роду, які замінюються системою лінійних алгебраїчних рівнянь. Для цього на границі S провідного тіла (електродів і бака електричного теплоакумулюючого перетворювача) вибирається n точок, в яких і потрібно розрахувати щільність вторинних джерел. Точки розміщуються на поверхні електродів S_А, S_В, S_С і на внутрішній поверхні бака S₀. Привласнивши точкам провідного тіла М (змінні) індекс j, а точкам спостереження Q (фіксовані) індекс i, і розподіливши їх по поверхні розподілу S, одержимо наступне рівняння:

.(10)

Після відомих перетворень остаточний запис алгебраїчних рівнянь для поверхні границі S_А має вигляд:

.(11)

В отриманому рівнянні a_ij і b_i - коефіцієнти системи, що обчислюються за формулами:

;(12)

,;

,.(13)

Коефіцієнти алгебраїчних рівнянь моделі містять ряд складових, що є визначеними інтегралами за елементами поверхні. Після перетворень для всієї поверхні границі розподілу середовищ S_A можна записати:

,(14)

де P_ij, L_ij, M_j, N_j R_j - складові, які визначаються в залежності від конструктивних параметрів електричного теплоакумулюючого перетворювача та кількості прийнятих розрахункових точок.

Остаточно система рівнянь реалізована як алгоритм розрахунку шуканої щільності вторинних джерел в обраних точках.

В результаті такого розрахунку вздовж границі S провідного тіла (електродів і бака електричного теплоакумулюючого перетворювача) представляється можливим, розрахувавши напруженість поля в обраних точках об'єму провідного тіла, визначити питому активну потужність, що виділяється в елементах об'єму бака перетворювача.

Складові напруженості електричного поля в циліндричній системі координат визначалися за виразами:

;(15)

;(16)

.(17)

Знаючи значення цих складових, визначається миттєва активна потужність, що виділяється в одиничному об'ємі V_q бака-акумулятора:

.(18)

В результаті, активна потужність електричного перетворювача дорівнює:

.(19)

Очевидно, що маючи розподіл потужностей в елементарних об'ємах теплоакумулюючого перетворювача не складно розрахувати в ньому і температурне поле.

Для перевірки математичної моделі електричного теплоакумулюючого перетворювача на адекватність була створена його фізична модель з наступними геометричними розмірами: висота бака Н_Б = 0,15 м; радіус бака R_Б = 0,05 м; довжина електродів, що опускаються у глибину L_Э = 0,13 м; радіус електродів R_Э = 0,0025 м; радіус кола, на якому розташовані електроди (радіус розпаду) R_Р = 0,035 м. Питома провідність теплоакумулюючої речовини в електричному теплоакумулюючому перетворювачі визначалась за формулою:

,(20)

де R - опір бака електричного теплоакумулюючого перетворювача.

Останній визначався дослідним шляхом за законом Ома. При U_Ф = 220 В, I = 5 А цей опір склав R = 44 Ом, а отже г = 0,027 (Ом·м)^-1.

Реальна потужність перетворювача

 Вт.(21)

Потужність, що розрахована за допомогою запропонованої математичної моделі, P_мат = 3414 Вт. Отже, потужність, що споживалась електричним теплоакумулюючим перетворювачем під час досліду й та, що розрахована за допомогою моделі практично збігаються. Відповідно одержаній статистичній виборці відносна похибка моделювання склала 3,7%, що підтверджує адекватність моделі.

У четвертому розділі “Обчислювальні дослідження комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання” поставлена задача оптимізації конструкції електричного теплоакумулюючого перетворювача і всієї системи та запропоновано алгоритм визначення потужності необхідного для останньої додаткового джерела енергії.

Струм, що стікає з торців та зовнішньої частини бічної поверхні електродів, замикається на провідний бак і на протилежні бічні поверхні інших електродів. При цьому працюють дві схеми розтікання струму: “зірка” (електрод - провідний бак) і “трикутник” (електрод - електрод). Перевага “зірки” приводить до підвищеного нагрівання віддалених від центра шарів матеріалу й бака, а трикутника - внутрішніх.

Проведені натурні експерименти показали, що в зазначених випадках у приелектродних областях виникають дуже високі щільності струму й, отже, такі тепловиділення, що приводять до згорання електродів і зміни фізичних властивостей теплоакумулюючого матеріалу.

Зі сказаного вище випливає завдання оптимізації конструкції перетворювача за критерієм, що характеризує рівномірність температурного поля всередині бака. Цільову функцію для такої оптимізації можна одержати, реалізувавши обчислювальний планований експеримент стосовно до розробленої програми розрахунку електричного й теплового полів усередині перетворювача.

Вибір конструкції електричного теплоакумулюючого перетворювача і його параметрів вимагають диференційованого підходу. Це пояснюється тим, що зі збільшенням розмірів бака збільшуються лінійні розміри контурів струму. Бак набуває індуктивного опору.

З'являється зсув фаз між струмом і напругою. Можуть з'явитися й різні електродинамічні ефекти. У результаті непостійними стануть не тільки коефіцієнти в цільових функціях перетворювачів різних розмірів, але й характер (структура) функцій.

Як наслідок, не можна одержати універсальні співвідношення для параметрів, що забезпечують оптимальну конструкцію перетворювача. Необхідно створити методику їх визначення у кожному конкретному випадку.

Як показник, що однозначно характеризує ступінь рівномірності температурного поля у баці, запропоновано використати величину:

,(22)

де Р - потужність, що споживається перетворювачем; Р_mq - максимальна потужність елементарного об'єму, яка отримана в результаті розрахунку; q - кількість елементарних об'ємів.

Очевидно, що в результаті і буде встановлений відсоток можливого заповнення тепловою енергією об'єму бака в одиницю часу. Чим вище ця величина, тим ефективніше використовується перетворювач.

Звідси випливає завдання знаходження оптимальної конструкції перетворювача для одержання рівномірного електричного та теплового полів. На конструктивні параметри, що визначаються, будуть накладатися відповідні обмеження.

Отримані залежності потужності, що виділяється в приелектродному одиничному об'ємі Pq від радіуса електродів R_Е при різних радіусах розпаду R_Р для перетворювача з наступними параметрами: радіус бака R_Б=0,05 м, висота бака Н_Б=0,15 м, довжина електродів L_Е=0,125 м, електрична провідність матеріалу г=10 (Ом·м)^-1 і струм I=1 A.

Мінімальний радіус електрода досить обмежувати по припустимій щільності струму для матеріалу електрода і його механічній міцності, а максимальний - значенням граничного радіуса, при якому різко зростає потужність в одиничному об'ємі P_q при зменшенні відстані між електродами або між електродом і бічною стінкою. В даному випадку R_Еmax=0,01 м.

Інтервал варіювання радіуса розпаду електродів R_Р лежить у межах 0,015 _ 0,04 м. Мінімальне значення обмежується різким зростанням P_q при зближенні електродів між собою, а максимальне _ при наближенні електродів до провідної стінки бака.

Для вибору раціональної конструкції електричного теплоакумулюючого перетворювача крім необхідного розрахункового об'єму необхідно враховувати обмеження на габаритні розміри. Дослідження показали, що більш ефективним буде перетворювач з більшим відношенням висоти бака до його радіуса.

В роботі запропоновано алгоритм визначення оптимальної площі сонячного колектора, потужностей додаткового джерела енергії та бака-акумулятора для комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання за умови мінімальної річної вартості при надійному покритті теплового навантаження.

Вхідними даними алгоритму слугують параметри системи, необхідні для розрахунку і які визначаються умовами експлуатації та будівництва.

Шукані величини знаходять за різні проміжки часу, тому в алгоритмі організовані цикли різної часової тривалості: за годинами, за добами. Також організовано цикл перебору площ сонячного колектора.

У циклі за добами визначаються баланси виробництва тепла комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання та витрати гарячої води. У циклі за годинами розраховується сонячна радіація, яка поглинається колектором, та кількість тепла, яке буде вироблене за рахунок енергії сонця. Інтенсивність падаючої сонячної радіації та тієї, що буде поглинена, розраховується кожні три години, потім підсумовується за добу.

На першому етапі вводиться початкова інформація: ціни на обладнання геліосистеми, тарифи на електроенергію, усереднений добовий графік споживання гарячої води.

Далі генеруються послідовності температур на сонці, у затінку та коефіцієнта пропускання сонячної радіації. З цих послідовностей у наступному блоці визначаються мінімальні значення температури на сонці Т_Cmin та коефіцієнта пропускання сонячної радіації К_ПРmin .

В подальшому розраховується базовий варіант геліосистеми гарячого водопостачання.

Тут визначається площа сонячних колекторів S_СКмах, яка повністю покриває максимум теплового навантаження споживача у добовому графіку при повністю захмареному небі (хмарність Х = 10 балів, К_ПР = 0) і найнижчій температурі навколишнього середовища.

Площа S_СК визначається за розрахованою тепловою потужністю Q_СПОЖ шляхом розв'язання системи рівнянь (1), (2) відносно S_CK з урахуванням технічних характеристик геліосистеми і характеристик навколишнього середовища.

У наступному блоці формується множина площ колекторів S_СКj ; .

Після цього визначається найменша у даний час вартість геліосистеми гарячого водопостачання B_CKj з площею колекторів S_СКj на кожному кроці.

Потім генерується послідовність значень потоку сонячної радіації кожні три години кожної доби, що припадає на сонячний колектор відповідних розмірів, і визначається кількість теплової енергії від одного колектора.

Розраховується можлива нестача теплової потужності сонячного колектора. Якщо її немає, тоді розраховується кількість теплової енергії, що буде накопичена у баці-акумуляторі протягом усіх годин прогнозу.

Після закінчення всіх добових спостережень розраховується потужність додаткового джерела енергії, який покриє нестачу теплової енергії і визначається вартість електричної енергії, спожитої електричним теплоакумулюючим перетворювачем впродовж доби.

На заключних етапах визначається вартість усієї спожитої енергії за час експлуатації електричного теплоакумулюючого перетворювача при прийнятій площі колекторів, розраховується необхідна (максимальна) потужність електричного теплоакумулюючого перетворювача. Після визначення потужності електричного теплоакумулюючого перетворювача необхідно провести оптимізацію його параметрів. Також розраховується його вартість.

Наприкінці визначаються теплова енергія, що накопичується у баці-акумуляторі, та її вартість. Вартість електричної енергії, електричного теплоакумулюючого перетворювача, бака-акумулятора та сонячного колектора визначають вартість всієї системи при кожному значенні площ колекторів.

У п'ятому розділі “Практичне застосування результатів досліджень” подані пропозиції щодо застосування результатів практичного дослідження геліосистем гарячого водопостачання.

Проведені техніко-економічні розрахунки базової геліосистеми (без електричного теплоакумулюючого перетворювача) та комбінованої з електричним теплоакумулюючим перетворювачем. Розрахунки зроблені за даними Кримської теплової компанії щодо впровадженої нею геліосистеми потужністю g = 550 л / добу при температурі t = 50 єС.

Економічне порівняння варіантів геліосистеми гарячого водопостачання без застосування електричного теплоакумулюючого перетворювача та з ним показало, що варіант геліосистеми з використанням електричного теплоакумулюючого перетворювача приблизно у 4 рази економічніший у порівнянні з геліосистемою без нього.

Сумарна економія за весь період експлуатації (15 років) може скласти близько 940 тис. грн.

У додатках подано дані спостережень за хмарністю та температурами повітря у затінку та на сонці; програму розрахунку тривимірного електричного поля однорідного циліндричного бака трифазного електричного теплоакумулюючого перетворювача; документи про використання результатів роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена важлива науково-прикладна задача створення ефективних комбінованих геліосистем гарячого водопостачання з надійним покриттям теплового навантаження за рахунок використання в якості додаткового джерела позапікової електроенергії. В результаті чого одержані наступні результати:

1. Розроблено математичну модель комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання з електричним теплоакумулюючим перетворювачем, який працює за позапіковим тарифом, що забезпечує більш надійне покриття теплового навантаження.

2. Змодельовано вплив зовнішнього середовища на геліосистему гарячого водопостачання, встановлено зв'язок між хмарністю та температурами на сонці та у затінку, в результаті чого розроблено математичний стохастичний генератор хмарності і температур, який дозволяє реалізувати динамічну модель сонячної системи теплопостачання й точніше розв'язувати задачі проектування зазначених геліосистем.

3. Розроблено конструкцію електричного теплоакумулюючого перетворювача, а також його математичну модель, яка дозволяє визначити розподіл потужностей в об'ємі теплоакумулюючої речовини.

4. Визначено раціональні конструктивні співвідношення між геометричними параметрами електричного теплоакумулюючого перетворювача з метою отримання рівномірного нагріву в ньому теплоакумулюючої речовини.

5. Запропоновано критерій оптимізації конструктивних параметрів електричного теплоакумулюючого перетворювача за ступінню рівномірності температурного поля в баці та запропоновано метод його розрахунку.

6. Створено методику автоматизованного проектування комбінованих геліосистем гарячого водопостачання, яка дозволяє визначати оптимальні співвідношення потужностей сонячного колектора та додаткового джерела енергії.

7. Обгрунтовано економічну доцільність застосування запропонованої геліосистеми з електричним теплоакумулюючим перетворювачем в конкретних регіонах України й виявлено її залежність від цін на відповідне енергетичне обладнання та тарифів на електроенергію.

8. Запоропонована методика машинного проектування комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання розглянута, схвалена та прийнята для використання Інститутом енергетичних досліджень, м. Запоріжжя.

9. Розроблено практичні рекомендації відносно застосування результатів дослідження при проектуванні нових та експлуатації існуючих сонячних систем гарячого водопостачання, які призводять до підвищення їх енергоефективності. Вони також можуть бути застосовані в навчальному процесі при підготовці спеціалістів за фахами “Відновлювані джерела енергії” та “Енергетичний менеджмент” і перепідготовці інших фахівців з питань енергозбереження.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Качан Ю.Г. К расчету объемного распределения мощности в электрическом теплоаккумулирующем преобразователе / Качан Ю.Г., Левченко С.А. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харків. _ 2005. _ №2. - C. 150-153.

2. Качан Ю.Г. К вопросу моделирования систем солнечного теплоснабжения с целью повышения их энергоэффективности / Качан Ю.Г., Левченко С.А. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харків. _ 2006. _ №3. _ С. 3-6.

3. Качан Ю.Г. Оптимизация конструктивных параметров электрического теплоаккумулирующего преобразователя в системах солнечного теплоснабжения / Качан Ю.Г., Левченко С.А. // Відновлювана енергетика. Київ. _ 2007. _ №2. _ С. 34-37.

4. Качан Ю.Г. Моделирование параметров окружающей среды для задач проектирования гелиосистем горячего водоснабжения / Качан Ю.Г., Левченко С.А., Трипутень Н.М. // Відновлювана енергетика. Київ. _ 2007. _ №4. _ С. 51-53.

5. Качан Ю.Г. Создание физической и математической модели электрического термоаккумулирующего преобразователя для повышения энергоэффективности систем теплоснабжения / Качан Ю.Г., Левченко С.А., Кононенко Н.А. // Х науково-технічна конференція студентів, магістрів, аспірантів і викладачів ЗДІА. Ч.І. Запоріжжя, 18-22 квіт. 2005 р. _ Запоріжжя. - 2005. _ С. 131-132.

6. Качан Ю.Г. Применение электрического теплоаккумулирующего преобразователя для повышения эффективности систем горячего водоснабжения / Ю.Г. Качан, С.А. Левченко, Н.А. Кононенко // Збірник наукових праць Міжнародної науково-технічної конференції “Енергоефективність'2005”. Одеса, 14 жовт. 2005 р. (Додаток до журналу “Холодильна техніка і технологія”). _ Одеса. _ 2005. _ С. 90-93.

7. Качан Ю.Г. Моделирование потока солнечной радиации для гелиосистем горячего водоснабжения / Качан Ю.Г., Левченко С.А. // Відновлювана енергетика ХХІ століття. Матеріали VII міжнародної конференції. АР Крим, смт. Миколаївка, 11-15 вер. 2006 р. _ Київ. _ 2006. _ С. 102-105.

АНОТАЦІЯ

Левченко С.А. Засоби підвищення ефективності комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності існуючих і тих, що проектують геліосистем гарячого водопостачання за рахунок їх поєднання з додатковим джерелом енергії (електричним теплоакумулюючим перетворювачем).

Обгрунтована доцільність застосування комбінованої геліосистеми гарячого водопостачання з джерелом теплової енергії, який використовує електричну енергію за позапіковим тарифом.

Запропонована методика врахування впливу навколишнього середовища на геліосистему для більш точного розрахунку її параметрів, а саме площі сонячного колектора.

Розроблена методика визначення оптимальних параметрів електричного теплоакумулюючого перетворювача з метою найбільшого акумулювання теплової енергії в його об'ємі.

Запропонована нова модель геліосистеми гарячого водопостачання, до якої крім базової моделі геліосистеми входять ще генератор хмарності та температур, модель електричного теплоакумулюючого перетворювача та блок визначення його оптимальних параметрів.

Розроблено алгоритм визначення оптимальних площин сонячного колектора, потужності електричного теплоакумулюючого перетворювача та бака-акумулятора за економічним критеріем.

При проведенні експериментальних досліджень в умовах експлуатації існуючої геліосистеми гарячого водопостачання в Кримській тепловій компанії (м. Севастополь) були підтверджені теоретичні розрахунки, які дають змогу зробити висновок про доцільність застосування запропонованого додаткового джерела теплової енергії та урахування стохастичного погодинного впливу хмарності і температур у затінку та на сонці для підвищення ефективності геліосистем гарячого водопостачання.

Ключові слова: комбінована геліосистема гарячого водопостачання, додаткове джерело теплової енергії, хмарність, температура.

АННОТАЦИЯ

Левченко С. А. Средства повышения эффективности комбинированной гелиосистемы горячего водоснабжения. _ Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 _ преобразование возобновляемых видов энергии. _ Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена повышению эффективности существующих и проектируемых гелиосистем горячего водоснабжения за счет их объединения с дополнительным источником энергии (электрическим теплоаккумулирующим преобразователем). Обоснована целесообразность применения комбинированной гелиосистемы горячего водоснабжения с источником тепловой энергии, который использует электрическую энергию по внепиковому тарифу.

Предложена методика учета влияния окружающей среды на гелиосистему для более точного расчета ее параметров, а именно площади солнечного коллектора.

С этой целью предложено дополнить уравнения теплового баланса солнечного коллектора стохастической частью по определению коэффициента пропускания солнечной радиации облачностью. Кроме того, при проектировании гелиосистем предложено учитывать изменение в течение суток температуры наружного воздуха как на солнце, так и в тени вследствие того, что часть оборудования (солнечный коллектор) находится под действием солнечного излучения, в то время как другая - находится в тени (теплопроводы).

Для этого создана математическая модель стохастического генератора облачности и температур окружающей среды, в которой температура на солнце зависит от облачности и температуры в тени. На основании годовых данных наблюдений за этими параметрами Запорожского областного центра по гидрометеорологии ГГС МЧС Украины установлена тесная связь между этими параметрами.

Предложена конструкция электрического теплоаккумулирующего преобразователя, нагрев которого происходит за счёт прямого растекания тока в его объёме. Создана трёхмерная математическая модель для расчёта активной мощности в баке преобразователя в виде системы интегральных уравнений по методу вторичных источников.

Расчёт электромагнитных полей по этому методу сводится к решению интегральных уравнений Фредгольма ІІ рода, которые заменяются системой линейных алгебраических уравнений.

В результате такого расчёта представляется возможным, рассчитав напряжённость электрического поля в выбранных точках объёма проводящего тела, определить удельную активную мощность, выделяемую в элементах объёма бака преобразователя.

Ток, стекающий с торцов и внешней части боковой поверхности электродов, замыкается на проводящий бак и на противоположные боковые поверхности других электродов. При этом работают две схемы растекания тока: “звезда” (электрод - проводящий бак и “треугольник” (электрод - электрод).

Преобладание “звезды” приводит к повышенному нагреву удалённых от центра слоёв теплоаккумулирующего материала и бака, а “треугольника” - внутренних. Проведённые натурные эксперименты показали, что в указанных случаях в приэлектродных областях возникают очень большие плотности тока и, следовательно, такие тепловыделения, которые приводят к сгоранию электродов и изменению физических свойств теплоаккумулирующего материала.

Выявлены зависимости мощности, выделяемой в элементарных объёмах теплоаккумулирующего материала, и радиусом распада электродов. Минимальный радиус ограничивается резким возрастанием мощности при сближении электродов, а максимальный - при приближении электродов к проводящей стенке бака. Разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров электрического теплоаккумулирующего преобразователя с целью максимального аккумулирования тепловой энергии в его объеме. Целевая функция была получена на основании вычислительного планированного эксперимента по разработанной программе расчёта электрического и теплового полей внутри преобразователя.

Предложена новая модель гелиосистемы горячего водоснабжения, в которую входят кроме базовой модели гелиосистемы еще генератор облачности и температур, модель электрического теплоаккумулирующего преобразователя и блок определения его оптимальных параметров.

Разработан алгоритм определения оптимальной площади солнечного коллектора, мощности электрического теплоаккумулирующего преобразователя и бака-аккумулятора для комбинированной гелиосистемы горячего водоснабжения при условии минимальной годовой стоимости и надёжного покрытия тепловой нагрузки.

Входными данными алгоритма служат параметры системы, необходимые для расчёта и определяемые условиями эксплуатации и строительства. Искомые величины расчитываются за разные промежутки времени. С этой целью в алгоритме организованы циклы разной временной длительности: по часам, по суткам.

Также организован цикл перебора площадей солнечного коллектора. В цикле по суткам определяются балансы выработки тепла и расход горячей воды. В цикле по часам рассчитывается солнечная радиация, поглощаемая солнечным коллектором, и количество тепла, которое будет выработано за счёт энергии солнца с последующим суммированием за сутки.

При проведении экспериментальных исследований в условиях эксплуатации существующей гелиосистемы горячего водоснабжения в Крымской тепловой компании (г. Севастополь) были подтверждены теоретические расчеты, которые дают возможность сделать вывод о целесообразности применения предложенного дополнительного источника тепловой энергии и учет стохастичного почасового влияния облачности и температур в тени и на солнце для повышения эффективности гелиосистем горячего водоснабжения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при существующих в данное время ценах на оборудование и тарифах на электроэнергию более выгодно уменьшить площадь коллектора, а нехватку тепловой энергии покрывать за счёт внепиковой электроэнергии.

Ключевые слова: комбинированная гелиосистема горячего водоснабжения, дополнительный источник тепловой энергии, облачность, температура.

ANNOTATION

Levchenko S. A. Means of increase efficiency of combined heliosystem of hot water-supply. - The manuscript.

The dissertation for a candidate of engineering sciences degree speciality 05.14.08 - Transformation of renewable energy types. - The Institute of renewable energy of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted to the increase of efficiency of existing heliosystems of hot-water supply and those which are still projecting due to their connection with an additional energy resource (by an electric heat-retaining transformer).

Grounded expedience of application of combined heliosystem of hot water-supply with a thermal energy resource, which uses electric energy after out of tariff of spades.

The offered method of including influence on environment is on heliosystem for more exact calculation of its parameters especially areas of sun collector.

The devised method of determination of optimum parameters of electric heat-retaining transformer is with the purpose of most accumulation of thermal energy in his volume.

The new model of heliosystem of hot water-supply is offered, which is not only except the base model of heliosystem, but it also includes the generator of cloudiness and temperatures, model of electric heat-retaining transformer and block of definition of optimal parameters.

The algorithm of definition of optimum areas of sun collector, power of electric heat-retaining transformer, and accumulator tank is made by economic criterion.

Theoretical calculations were approved during experimental researches, which were held in the conditions of exploitation of existing heliosystems of HWS at the Crimean thermal company.

The calculations give an opportunity to make a conclusion about expedience of using the offered additional thermal energy resource and account of stochastic by the hour influence of cloudiness and temperatures source in shade and under the sun light for the increase of efficiency of heliosystem of hot water-supply.

Key words: combined heliosystem of hot water-supply, additional thermal energy resource, cloudiness, temperature.

Размещено на Allbest.ru

...