Оценка эффективности солнечных коллекторов, используемых в целях горячего водоснабжения жилых зданий в различных климатических условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский университет транспорта (МИИТ), г. Москва

Оценка эффективности солнечных коллекторов, используемых в целях горячего водоснабжения жилых зданий в различных климатических условиях

Алексюк Юрий Николаевич - студент

кафедра теплоэнергетики и водоснабжения

на железнодорожном транспорте

факультет транспортных сооружений и зданий

Аннотация

солнечный коллектор электрический энергия

В работе рассмотрены различные виды солнечных коллекторов для горячего водоснабжения жилого дома, а также представлены регионы, в которых они используются.

Ключевые слова: солнечный коллектор, горячее водоснабжение, теплоснабжение, солнечная энергия.

Выработка энергии из нетрадиционных возобновляемых источников является одним из направлений энергетической стратегии России до 2035 г.

Объем капиталовложений в возобновляемые источники энергии итогового периода прогнозируется в 5-7 раз выше базового уровня. При этом доля возобновляемых источников энергии в общем объеме капиталовложений в сферы энергоснабжения увеличится с 4 до 10-12%.

В сравнении с базовым уровнем требуемый в итоговом периоде объем инвестиций:

в централизованное теплоснабжение будет выше на 3-17%;

в автономную энергетику будет выше в 3-4 раза, а ее доля в общем объеме капиталовложений в энергоснабжение увеличится с 10 до 16-20%;

в энергосбережение будет выше в 2-5 раз, а его доля в общем объеме капиталовложений в энергоснабжение увеличится с 29 до 34-49%.

Основные успехи в развитии возобновляемой энергетики в России достигнуты в создании новых технологий по преобразованию солнечного излучения в электрическую энергию.

Промышленностью выпускаются фотоэлектрические элементы на основе кремния, модули и батареи с высоким КПД преобразования, высокоэффективные (КПД более 25%) гетероструктурные солнечные элементы и энергоустановки с концентраторами солнечного излучения, малые гидростанции с оборудованием мощностью от 5 кВт до 1 МВт, биогазовые установки для индивидуальных и фермерских хозяйств, обеспечивающих местные потребности в тепловой и электрической энергии, ветроэлектрические станции мощностью от сотен ватт до десятков кВт.

Несмотря на это, выработке непосредственно тепловой энергии уделено незначительное внимания. Причиной тому является то, что наиболее перспективной областью применения НВИЭ в России являются изолированные и удаленные районы с низкой плотностью населения, такие как Республика Саха (Якутия) или также в пример можно привести Приморский край [1]. В этих регионах 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. 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, в то время как установленная мощность оборудования электростанций в крае составляет 2,7 млн кВт электрической энергии и 3,9 млн. кВт тепловой энергии [2]. Таким образом, мощность электростанций и ресурс солнечной энергии при получении электрической величины одного порядка. Пока что единственным примером реального использования солнечной энергии на Дальнем востоке является солнечная водонагревательная установка в Дальневосточном Федеральном университете в городе Владивосток на острове Русский. Она предназначена для получения горячего водоснабжения восьми этажного гостиничного корпуса рассчитанного на проживание 536 человек. В состав данной установки входит: 90 солнечных коллекторов производительностью 0,15 Гкал/час тепловой энергии и 176 фотоэлектрических солнечных панелей производительностью 22 кВт*час электрической энергии. Солнечные коллектора и фотоэлектрические солнечные панели установлены на кровле здания. Общая площадь кровли составляет 2566 м2. Площадь крыши, которую занимают солнечные коллектора, составляет 1112 м2, а эффективная площадь абсорбции тепловоспринимающей поверхности составляет 216,99 м2. В установке применены 90 солнечных вакуумных коллекторов марки Е$58-1800-30К1.

Лидером же по освоению солнечной энергии является Краснодарский край. В Краснодарском крае находится и один из старейших в России производителей необходимого для получения энергии Солнца оборудования -- ПАО «Сатурн». Завод занимается разработкой и изготовлением солнечных элементов и батарей космического применения с 1971г. Сочетание благоприятных климатических условий и близость производителей оборудования дают преимущество в использовании солнечной энергии.

Краснодарский край относится к регионам с высокой интенсивностью солнечной радиации - продолжительность солнечного сияния здесь свыше 2000 часов в год. На побережье Черного и Азовского морей количество солнечных дней составляет 260280 суток в году (для сравнения -- в Москве всего 29 дней).

Величина суммарной солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность в течение года, в среднем по региону составляет 1200-1400 кВт/ч на квадратный метр. При использовании солнечной энергии для теплоснабжения выработка тепловой энергии в среднем составляет 900 кВт/ч на кв. м.

Однако в настоящее время использование энергии солнца в данном регионе сводится пока к нескольким проектам, не смотря на то, что современные технологии и опыт их применения в других странах со схожим климатом позволяет извлекать пользу из каждого фотона бесплатной солнечной энергии.

В пример можно привести центральную районную больницу в Усть-Лабинске и городскую больницу курорта Анапа, в которых гелиоустановки работают уже несколько лет.

В Китае суммарная площадь установленных солнечных коллекторов превысила 140 000 км2 чего достаточно для снабжения горячей водой 60 млн семей. В Израиле в 1976г на законодательном уровне было закреплено обязательная установка солнечных коллекторов на всех вновь возводимых жилых строениях не выше 9 этажей (т.к. площадь крыши на строениях большей этажности не позволяет в полной мере обеспечить горячим водоснабжением всех жителей данного дома при помощи только лишь солнечных коллекторов). В результате чего на сегодняшний день 85% квартир в Израиле снабжаются горячей водой нагретой только лишь энергией солнца [3].

Также можно отметить Финляндию, которая находится намного севернее вышеперечисленных стран, и не располагает существенными запасами традиционного сырья для производства энергии.

В 2016 году энергетическая компания «Helen» запустила самую большую в Финляндии солнечную электростанцию. На крыше лыжного центра Kivikko, принадлежащего городу Хельсинки, установили 2992 панелей (285 Вт каждая) общей мощностью 850 кВт. До недавнего времени самой большой в Финляндии была солнечная станция в Сувилахти мощностью 340 кВт. Новая станция ежегодно будет вырабатывать 800 МВт ч. электроэнергии, что вполне достаточно для обеспечения 400 однокомнатных квартир.

Финляндия -- страна, где развитию солнечной энергетики препятствуют особенности природно-климатических условий. Как известно, производство электроэнергии с помощью энергии солнца зависит от интенсивности солнечного света. Летом в Финляндии света достаточно. В среднем, его интенсивность здесь даже выше, чем в Центральной Европе, что объясняется длительным периодом «белых ночей». Но зимой солнца в Финляндии значительно меньше. Однако и эта проблема имеет решение. Солнечную энергию можно аккумулировать и дополнять за счёт тепловых насосов, способных отбирать тепло из низкотемпературной среды. Так, благодаря комплексным технологиям, в финском городе Оулу производительность фотоэлектрических станций достигла показателей Германии.

В настоящее время существует несколько солнечных коллекторов имеющихся в свободной продаже и хорошо зарекомендовавших себя при длительном использовании.

Плоский солнечный коллектор - относительно простое устройство для сбора тепловой энергии солнца. Состоит из плоского элемента поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Существенными недостатками применения плоского солнечного коллектора является невозможность работы в холодное время года и относительно высокие тепловые потери, а также больший вес по сравнению с вакуумным солнечным коллектором, что при использовании на крыше здания, не предназначенного для установки какого-либо тяжёлого оборудования, имеет немаловажное значение.

Вакуумный солнечный коллектор - более сложная и значительно более дорогостоящая установка, которая имеет сходство с бытовыми термосами. Состоит из стеклянных трубок, внешняя часть которой прозрачна, а на внутреннюю нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянными трубками находится вакуум. Именно он и даёт возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии. Использование данной технологии позволяет достичь значительно большего КПД по сравнению с плоскими коллекторами, причём их использование возможно даже при условиях низких температур и слабой освещённости. Главным недостатком вакуумного солнечного коллектора является большая трудоёмкость при обслуживании и очистке по причине особенностей более сложной конструкции [4].

При использовании солнечных панелей существует ряд особенностей. Главным образом, здание должно иметь значительную неиспользуемую поверхность вне помещения, обращённую к солнечной стороне для размещения панелей солнечного коллектора. Крыша в большинстве случаев будет идеальных местом для их установки. Однако не стоит забывать, что сухой вес только одной панели размерами около 2,5 м2 составляет около 80 кг и перед установкой данного оборудования целесообразно будет проведение комплексного обследования строительных конструкций здания на предмет возможности установки дополнительного оборудования. Не всю площадь крыши удастся покрыть панелями солнечных коллекторов, понадобятся площадки для обслуживания и ремонта что примерно вдвое снизит полезное пространство. Но даже на 100 м2 при установки на них панелей солнечного коллектора позволит выработать около 50 кВт.ч.

Конечно, данные цифры условны. Нельзя забывать, что поступление солнечной энергии в любом регионе нестабильно, а пики солнечной активности и водопотребления приходятся на разное время. В пик солнечной активности в середине дня, заметно снижается водопотребление, а утром и вечером уже солнечная активность далека от своих пиковых значений. Применение солнечных коллекторов в зимний период вообще нецелесообразно, хотя вакуумные солнечные коллекторы и возможно использовать даже при отрицательных температурах, но относительно эффективно его применение получится в лучшем случае в весенне-осенний период. К тому же нельзя забывать, что солнечные коллекторы так же потребуют затрат на обслуживание и ремонт. К сожалению солнечные коллекторы имеют ещё ряд существенных недостатков таких как: неспособность к выработке тепловой энергии в ночное время, относительная дороговизна и соответственно длительный период самоокупаемости, а также хрупкость конструкции (большая часть панелей солнечного коллектора выполнены из стекла или стеклянных трубок в случае с вакуумным солнечным коллектором, а в Краснодарском крае часто выпадают осадки в виде града).

Тем не менее, применение солнечных коллекторов безусловно позволит сэкономить потребление тепла выработанного на ТЭЦ, а значит поможет существенно снизить выбросы СО2 и сократить потребление природного газа, но главным образом это послужит толчком для развития современных технологий в области теплоэнергетики и поможет молодым инженерам в поисках более эффективных способов производства тепловой энергии и переосмыслении существующих способов теплоснабжения.

Список литературы

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.energystrategy.ru/ab_ins/source/ES-2035_09_2015.pdf/ (дата обращения: 06.06.2019).

2. Россия, Открытое акционерное общество «Дальневосточная генерирующая компания», Веб сайт, Владивосток, филиал Лучегорский топливно-энергетический комплекс [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.dvgk.ru/en/branch/luchtec/ (дата обращения: 06.06.2019).

3. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебник. Под ред. Клименко А.В. М.: МЭИ, 2010.

4. Бушуев В.В. Энергетика России в 3-х томах. Том 1. Потенциал и стратегия реализации. Том 2. Энергетическая политика России (энергетическая безопасность, энергоэффективность, региональная энергетика, электроэнергетика). Том 3. Мировая энергетика. М.: ИЦ «Энергия», 2012.

Размещено на Allbest.ru