Использование низкопотенциальной солнечной энергии — резерв экономии топливно-энергетических ресурсов

Сегодня одной из актуальнейших проблем науки и техники является поиск оптимальной стратегии энергетики — оптимальной как с технической и экономической, так и экологической точек зрения. При этом одно из главных задач состоит в том, чтобы найти замену природному газу и нефти как топливу в энергетике, промышленности, на транспорте, в быту, по возможности и как сырью в крупномасштабных химических производствах.

В соответствии с Постановлением Президента Республики Узбекистан от 5 мая 2015 года № ПП-2343 «О программе сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015–2019 годы» поставлены задачи, по определению приоритетных направлений дальнейшего сокращения энергоемкости, внедрения энергосберегающих технологий и систем в отраслях экономики, ускоренное развитие использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе апробированных технологий использования солнечной энергии [1].

Энергетика страны развивается высокими темпами, увеличивается удельные и суммарные уровни энергопотребления во всех сферах народного хозяйства [2].

Расширяется спектр первичных источников энергии, включаемых в топливно-энергетический баланс. Не менее значительным является и все возрастающее обратное влияние, а именно определяющая роль окружающей среды в решении практических задач энергетики. Другими словами, нет ни одного способа производства энергии, в ходе которого тем или иным образом не затрагивались бы интересы окружающей среды.

Что касается производства и использования энергии, то любой способ так или иначе связан с использованием ресурсов природы. Сейчас большие надежды, например, возлагаются на солнечную энергетику. Действительно, по всем стандартам количество солнечной энергии, посылаемой на Землю, практически беспредельно: ныне дневное светило посылает нам примерно в 20 тыс. раз больше энергии, чем производится ее во всем мире. Наиболее простой, известный и технически разработанный способ использования солнечной энергии — превращение ее в низкопотенциальное температурой до 100⁰С — тепло, которое можно использовать для отопления, опреснения соленых вод, горячего водоснабжения, сушки продукции [3].

Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального солнечного тепла с помощью простейших плоских коллекторов, КПД которого определятся его оптическими характеристиками, качеством тепловой изоляцией, инсоляцией и температурами теплоносителя и окружающего воздуха. В зависимости от широты местности и климатических условий годовой приход солнечной энергии 1 м² поверхности изменяется очень сильно. Для широт около 36-40⁰ он составляет 8–10 ГДж /(1м².год.), тогда, как для широт 50–60⁰ –падает до 2–4 ГДЖ /(м²год).

Водонагреватель в летний период солнечной радиации 700–800 Вт/м² и наружной температуры атмосферы 30–32 ⁰С, позволяет получить с каждого квадратного метра поверхности 1200–1400 кДж тепла с температурой горячей воды 50–55 ⁰С, в условия г. Карши. Результаты испытания показывают, что с каждого квадратного метра можно получить горячей воды 90–95 л/м² в день с температурой 50–60⁰С. Непрерывные эксплуатационные испытания солнечной водонагревательной установки составляет 450–500 л горячей воды в день, при температуре 50–60²С. На основе результатов непрерывных круглогодичных испытаний в натуральных условиях была установлена зависимость производительности от времени года, а также определена надежность работы установки составляет 2260–2300 кДж/м², в том числе 1720–760 кДж/м² в летние и переходные времена года и 500–508 кДж/м² в зимние времена. С учетом графика неравномерности выработки и потребления горячей воды в жилых домах установлен оптимальный объем теплового аккумулятора (летом 70 л/чел, зимой 100 л/чел); при этом удельная рабочая площадь солнечной водонагревательной установки для летнего периода — 2 м²/чел. Результаты расчета показывают, что возможная экономия топлива составляет 0,17–0,2 т.у.т.с. 1 м² установки в год. Тепловая мощность коллектора солнечной энергии (КЭС) определяется по формуле:

(1)

Удельная теплопроизводительность КЭС, вычисляем по соотношению:

(2)

В условиях г. Карши интенсивность падающей солнечной радиации для летного периода (май-август) составляет среднесуточная температура t_cp=24–30.5 ⁰C. При нагреве воды на , часовая производительность G=8–9л/м² ч, гелиоводонагревателя определяем по формуле:

(3)

Эффективность гелиоколлектора в зависимости от метеорологических условий определяется соотношением:

;

где S — площадь коллектора, м²; Q_g — полезное использование тепла (энергии), кДж. Годовая теплопроизводительность КЭС в условиях города Карши составляет:

;

т. е. экономия органического топлива с 1 кв.в. метра полезной площади гелионагревателя будет, соответственно т.у.т./год. Средний расход топлива (Дж) на горячее водоснабжение здания за расчетный период (год) определяется по формуле:

(4)

где, A=G= норма расхода (60 л/ч день); n — число дней в расчетный период;, m — число жителей. Определим тепловую производительность солнечной установки за январь месяц. Значение

На основании расчетных формул в соответствии с площадью гелиоколлектора S₁=2.7 м², S₂=4.5 м² месячная теплопроизводительность солнечной на январь месяц Q_г1=1676 МДж/мес; Q_г2=2793 МДж/мес. Определяем степень замещения тепловой нагрузки горячего водоснабжения солнечной энергией. Используя выше приведенный метод определяем теплопроизводительность солнечной установки и степень замещения f для других месяцев. Для солнечно — коллекторной установки за июль месяц можно принять наиболее оптимальное значение степени замещения f=1. При G_с1=60 л/(чел сут): площадь коллектора F_c1=5м²; Годовая степень замещения f_с1=75,7 % При G_с2=100 л/(чел сут): площадь коллектора F_c1=9м²; Годовая степень замещения f_с2=81,4 % объем аккумулятора горячей воды определяем по условию V_a=V_a F_c=0.05F_c; При G_c1=60 л/(чел сут), m=5: V_a=0.25м³=250 л;

G_с2=100 л/(чел сут), m=5: V_a=0.45м³=450 л;(5)

Годовая нагрузки га горячее водоснабжение:

Q_г1=19,333 10⁶ кДж/год; Q_г2=31,888 10⁶ кДж/год.

Годовая расход природного газа

Q_Т1=898 м³/год Q_Т1=1485 м³/год

Условного топлива

Q_y1=1185 кг у. т./год Q_y1=1185 кг у. т./год

В большинстве существующих установок годовой эксплуатационный КПД коллектора оказывается на уровне 40–50 %. Это означает, что для широт около 35–40⁰, с 1 м² коллектора можно получить в год 3–5 ГДж тепла с температурой 60–70 ⁰С. Экономия органического Топливо кв. метра полезней площади гелиоводонагревателя в условиях (г. Карши, Ташкента, Чимкента) составляет соответственно 0,18–0,2 т.у.т./год; 0,16–0,18 т.у.т./год, 0,15–0,16 т.у.т./год [4].

В солнечных теплицах в режиме работы с использованием теплоты дымовых газов от котельной экономия энергия затрат составляет 45–55 %, т. е. 25–30 кг.у.т./м² инвентарной площади теплицы. При сушке сельхозпродуктов в солнечных сушильных установках с 1 кг. метра экономия топлива составляет 10–13 м³/день природного газа.

Таким образом, если мы хотим работать в режиме энергосбережения, экономии и улучшения структуры потребляемых топливно-энергетических ресурсов переходят на более экологически чистые, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, то без систем аккумулирования энергии эти задачи, очевидно, нерешаемы.

Литература:

1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 5 мая 2015 года № ПП-2343 «О программе сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015–2019 годы».
2. Захидов Р. А. Энергетика стран мира и Узбекистана в XXI–веке // Узбекский журнал «Проблемы информатики и энергетики» Ташкент. Изд. «Фан». 2002 у. стр. 27–42.
3. Берковский Б. Солнечный путь к экономическому развитию и охране окружающей среды. // Теплоэнергетика. М.1996 г. № 5.
4. Жамалов Аж. Основы расчета и использования плоских солнечных коллекторов в АПК Республики Казахстан. Автореф. дисс. доктора техн. наук. Г. Алматы-199 г. 48 с.