Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Предлагается метод структурирования и оптимизации комбинированных солнечно-ветровых установок. Комбинированные установки представляются в виде совокупности систем энергоснабжения более низкого иерархического уровня: звеньев, подсистем, элементов, объединенных общей целью – обеспечение энергоснабжения объектов за счет использования солнечной и ветровой энергии. Для сравнительной оценки энергетической, термодинамической и технико-экономической эффективности предлагается представлять комбинированные солнечно-ветровые установки в виде структурно-функциональных моделей, отражающих общую структуру и процессы преобразования и использования энергии. Разработан оптимальный вариант этих установок, а также алгоритмы расчета их конструктивных и эксплуатационных параметров.

Ключевые слова:
системный анализ, солнечно-ветровые установки, структурно-функциональные модели, энергетическая, термодинамическая, технико-экономическая оптимизация, алгоритм расчета
Текст
Введение В настоящее время, как в России, так и за рубежом, все более широкое применение находят децентрализованные системы с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – чаще всего солнечной и ветровой [1–5]. Использование этих источников бывает более целесообразным с экономической и экологической точек зрения. В ряде случаев солнечная и ветровая энергия используются совместно для выработки электрической и тепловой энергии отдельными или комбинированными установками [6]. Однако зачастую такие комбинированные солнечно-ветровые установки (КСВУ) недостаточно эффективны из-за нерационального выбора их основных элементов, а также неэффективного с энергетической, термодинамической и экономической точек зрения использования солнечной и ветровой энергии. Системный подход, базируясь на принципах аналогии энергетических систем, позволяет приводить все децентрализованные системы, независимо от вида используемых в них энергоносителей, к универсальной структуре, описываемой в общем случае одинаковой системой уравнений [7–9]. Этот подход может быть применен и для более простых, чем ранее рассмотренные автономные энергетические комплексы (АЭК), частных случаев комбинированных энергоустановок, использующих солнечную и ветровую энергию. В разработанном ранее методе [10] на основе общей математической модели АЭК, структурного анализа, энергетической, термодинамической и технико-экономической оптимизации определялись основные эксплуатационные и технико-экономические показатели АЭК. Детализация этого метода применительно к КСВУ позволяет, используя дополнительные гелиотехнические и балансовые уравнения, разработать оптимальные варианты этих установок, а также алгоритмы расчета их конструктивных и эксплуатационных параметров. Целью исследований являлся системный анализ схем и разработка методики алгоритмов расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров КСВУ на основе общей математической модели, структурного анализа и анализа энергетической, термодинамической и технико-экономической эффективности. Системный анализ и анализ энергетической, термодинамической и технико-экономической эффективности Комбинированные солнечно-ветровые установки, как и АЭК с ВИЭ, можно представить в виде совокупности систем энергоснабжения j более низкого иерархического уровня, звеньев n, подсистем z, элементов р, объединенных общей целью – обеспечение сберегающего энергоснабжения за счет применения ВИЭ. Любая j-я система использует свой j-й энергоресурс и содержит n звеньев. При этом каждое n-е звено включает z подсистем, а каждая z-я подсистема содержит р элементов. Индексы в обозначениях систем j, звеньев n, подсистем z и элементов р показывают номер системы j, звена n, подсистемы z и элемента р. В качестве прямой внешней связи в КСВУ используется уравнение расчетной цены энергоносителя Сjn = Со·β1(φэн, φэк)·β2·β3·П К, (1) комплексно учитывающей затраты энергоресурса Со, критерий потребительской ценности использования энергоресурса β1, зависящий от энергетического jэн и экологического jэк эффектов его применения, критерии надежности β2 и сезонности β3 поступления энергоресурса в течение года, коэффициент удорожания энергоносителя K в t-м году эксплуатации КСВУ. В качестве обратной внешней связи предлагается уравнение на основе коэффициента использования первичной энергии: ηij = ∑ ∑ ∑ {Qn.nz [(Qn.nz / ηпв.n ) Qв.nz (ψпв.nz)]}, (2) где Qn.nz – полезно используемая энергия; Qв.nz – расход возобновляемого энергоресурса; hпв.n – КПД использования первичного энергоресурса в z-й подсистеме n-го звена j-й системы; Yпв.nz – параметр, учитывающий снижение расхода первичного энергоносителя в z подсистеме n-го звена j-й системы. Реализация предлагаемой математической модели к любому конкретному объекту на основе использования ВИЭ, а также топливно-энергетических ресурсов и вторичных топливно-энергетических ресурсов может быть проведена в 4 этапа: структурный анализ, энергетическая оптимизация, термодинамическая оптимизация и технико-экономическая оптимизация. Каждый из этапов был ранее подробно рассмотрен в [3–5], частные случаи АЭК с ВИЭ для конкретных объектов были приведены в [10]. В настоящей работе остановимся подробнее на этапе структурного анализа с элементами оценки энергетической, термодинамической и энергетической эффективности. Перебор всех вариантов структурно-морфологических моделей КСВУ, учитывающих конструктивные особенности трансформаторов, аккумуляторов и утилизаторов энергии, достаточно трудоемок. Для сравнительной оценки эффективности вариантов КСВУ предлагается представлять их в виде гораздо более простых структурно-функциональных моделей (СФМ) в виде плоских графов, отражающих лишь общую структуру КСВУ и процессы преобразования, транспортировки, аккумулирования и использования энергии. Структурно-функциональные модели КСВУ включают участки (энергопроводы) и узлы, которыми являются трансформаторы, аккумуляторы, источники первичной энергии – солнечной энергии (СЭ), ветровой энергии (ВЭ), а также полезно используемой электрической энергии (ЭЭ) и тепловой энергии (ТЭ). На рис. 1, а показан упрощенный вариант СФМ КСВУ, в котором используются типовые элементы: фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), одноступенчатый коллектор солнечной энергии (ОКСЭ), а также аксиальный ветродвигатель (АВД), электрогенератор (ЭГ) и теплоэлектронагреватель (ТЭН), составляющие ветроэнергоустановку ВЭУ. Для упрощения электрический и тепловой аккумуляторы на схеме не показаны. В этой схеме выработка электроэнергии осуществляется ФЭП и АВД, агрегированным с ЭГ, а выработка тепловой энергии – ВД, агрегированным с МТ. Выработка тепловой энергии производится с помощью ОКСЭ, работающего по классической циркуляционной схеме, и ОВД, агрегированным с ЭГ и ТЭН. На рис. 1, б показан упрощенный вариант СФМ, КСВУ, в котором используются оригинальные элементы: многоступенчатый коллектор солнечной энергии (МКСЭ), выполненный из разнородных элементов, а также ортогональный ветродвигатель (ОВД), электрогенератор (ЭГ) и механический теплогенератор (МТ), составляющие ветроэнергоустановки [11, 12]. Для выработки электроэнергии используется только ОВД, агрегированный с ЭГ. Выработка тепловой энергии производится с помощью солнечной энергии с использованием МКСЭ, работающего по гравитационной схеме, а также с помощью ОВД, агрегированного с МТ. а б Рис. 1. Графы структурно-функциональных моделей КСВУ: а – традиционное использование элементов; б – использование оригинальных трансформаторов Анализ эффективности преобразования ВИЭ в тепловую и электрическую энергию может быть выполнен на основе сопоставления наивысших показателей энергетической, термодинамической и экономической эффективности элементов КСВУ по данным [3–5], приведенным в табл. 1. Таблица 1 Наивысшие показатели эффективности элементов КСВУ Тип элемента энергоустановки ех КУД, $/кВт ФЭП 0,20 0,20 6 000 КСЭ НПК-2 0,50 0,24 280 КСЭ НПК-1 0,50 0,24 180 КСЭ НПК 0,50 0,24 140 АВД 0,40 0,40 800 ОВД 0,45 0,45 600 ЭГ 0,95 0,95 400 МТ 0,90 0,90 200 ТЭН 0,95 0,95 30 Как видно из табл. 1, ФЭП, используемые для выработки электрической энергии, имеют в 2,0–2,3 раза меньшие энергетический и эксергетический КПД и удельные капитальные затраты в 5–6 раз большие, чем у ВЭУ аксиального (АВД + ЭГ) и ортогонального (ОВД + ЭГ) типов. Поэтому в настоящее время использование ФЭП в КСВУ экономически нецелесообразно. При выработке тепловой энергии в первой схеме с помощью КСЭ, выполненных из элементов НПК-2 и с помощью ВЭУ (АВД + ЭГ + ТЭН), удельные капитальные вложения составят 755 $/кВт, а во второй схеме с помощью МКСЭ, выполненного из разнородных элементов – НПК-2, НПК-1 и НПК, а также ВЭУ (ОВД + МТ), они не превысят 500 $/кВт, т. е. будут в 1,5 раза меньше. При этом энергетический и эксергетический КПД в первойи второй схемах будут практически одинаковыми. Таким образом, с энергетической, термодинамической и технико-экономической точек зрения вторая схема КСВУ с оригинальными трансформаторами ВИЭ будет более предпочтительной. Алгоритмы расчета трансформаторов энергии в КСВУ Рассмотрим алгоритм расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров МКСЭ. Для каждого i-го элемента МКСЭ, работающего, в отличие от ОКСЭ, по гравитационной схеме, может быть записана система уравнений превращения потока солнечной радиации в тепловую энергию теплоносителя, подогреваемого от начальной температуры в первой ступени МКСЭ до конечной температуры в последней ступени . Эта система уравнений имеет вид: - мгновенные количества тепловой энергии (тепловая мощность): ; (3) - значения КПД (уравнения энергетической эффективности): ; (4) - уравнения теплового баланса Qi = cM (tki – tHi); (5) - уравнения для среднеинтегральных значений температуры теплоносителя: ; (6) - уравнения, связывающие конечные и начальные значения температуры: ; (7) - уравнения массового расхода: , (8) где – суточный расход горячей воды, м3/cут; – продолжительность месяца и солнечного сияния, сут/мес, ч/мес. Решение системы 5n + 1 уравнений (3)–(8) позволяет определить основные теплотехнические параметры гелиоустановки гравитационного типа с многоступенчатым гелиоколлектором (ГГТМГ). Блок-схема алгоритма расчета приведена на рис. 2. В качестве произвольно задаваемого параметра можно использовать практически любой из параметров уравнений (3)–(7). Однако, на наш взгляд, наиболее целесообразно задаваться величиной удельного расхода теплоносителя в каждой из ступеней . В отличие от циркуляционных гелиоустановок, для которых оптимальная величина удельного расхода теплоносителя принимается в диапазоне m = 0,010–0,020 кг/(с. м2), для МКСЭ она существенно меньше и находится в пределах m = 0,0015–0,0035 кг/(с. м2). Нет Да Рис. 2. Блок-схема алгоритма теплового расчета МКСЭ Задаваясь в первом приближении значением кг/(с. м2), определяют конечные значения температуры и среднеинтегральные температурные напоры . Далее находят массовый расход M, тепловые мощности, КПД и площади каждой из ступеней , и . По полученным значениям и определяют удельные массовые расходы во втором приближении и сравнивают со значениями в первом приближении. Далее, если это необходимо, расчеты повторяют. После этого определяют КПД и площадь всего МКСЭ и . На этом расчет многоступенчатого гелиоколлектора заканчивается. В качестве примера в табл. 2 приведены результаты расчетов трехступенчатого гелиоколлектора для ГГТМГ, предназначенной для горячего водоснабжения малоэтажного и многоэтажного зданий. Коллектор солнечной энергии изготовлен из элементов НПК (абсорберов), НПК-1 и НПК-2. Как видно из табл. 2, до 69 % площади и мощности гелиоколлектора приходится на элемент НПК, значительно меньше – до 22 % площади и мощности гелиоколлектора – на элемент НПК-1 и еще меньше – до 9 % площади и мощности гелиоколлектора – на элемент НПК-2. Таблица 2 Исходные данные и результаты расчета гелиоустановки гравитационного типа с трехступенчатым КСЭ № элемента Исходные данные Результаты расчета Тип ,°C °C °C м2 кВт Для малоэтажного здания, М = 0,025 кг/с 1 НПК 0,93 20,0 20,0 43,8 35,5 10,0 2,49 2 НПК -1 0,78 8,5 43,8 50,6 47,5 3,1 0,76 3 НПК –2 0,73 4,0 50,6 54,5 52,6 1,3 0,41 Итого 14,4 3,66 Полученное значение площади многоступенчатого КСЭ можно сравнить со значением площади гелиоколлектора гелиоустановки циркуляционного типа, изготовленного из одинаковых элементов (например, НПК-2). Она может быть в соответствии с [5] определена по формуле , (9) где – коэффициент, учитывающий теплопотери в циркуляционном контуре и баке – аккумуляторе теплоты. Расчеты, выполненные при тех же условиях, по формуле (9), дают значение площади ОКСЭ, изготовленного целиком из элементов НПК-2: = 14,9 м2. Эти площади практически не отличаются от площади трехступенчатого гелиоколлектора . Однако, если учесть, что трехступенчатый гелиоколлектор в основном состоит из более дешевых элементов, то капитальные затраты на него будут существенно ниже. Соответственно, существенно меньше будут затраты и на всю гелиоустановку в целом. На основе исследований МТ и ОВД разработан следующий алгоритм расчета основных параметров механических ветротеплогенераторов. Прежде всего задаются режимные параметры (скорость ветра V, плотность и потребная мощность теплогенератора ). В первую очередь определяется диаметр корпуса МТ: . Далее рассчитывается объем цилиндрического МТ при близких к оптимальным соотношениях высоты и диаметра . . Конечная температура подогрева теплоносителя в МТ определяется по формуле , где – начальная температура подогрева высоковязкой жидкости. Момент сил трения в ОВД рассчитывается по формуле а вращающий момент ОВД . Значение вращающего момента ветродвигателя при (пускового момента) должно быть при минимальной температуре . Если это условие не выполняется, то производится перерасчет при больших значениях . Предлагаемый алгоритм расчета может быть использован при определении конструктивных и эксплуатационных параметров МТ с приводом от ОВД для прямого преобразования кинетической энергии ветрового потока в тепловую энергию в автономных системах теплоснабжения, в биореакторах биоэнергетических установок, а также в АТК с ВИЭ. Следует отметить, что необходимо в качестве высоковязкой жидкости в МВТГ применять такую, которая практически не меняет вязкости с изменением температуры. В противном случае могут возникнуть трудности с запуском МВТГ при низких значениях температуры. Этим свойством обладает ряд масел, используемых в автомобилях. Заключение Предлагаемый системный подход к анализу КСВУ позволяет реализовать поиск оптимального варианта энергоустановки с ВИЭ. Сравнение КСВУ с традиционными и оригинальными трансформаторами показывает, что ФЭП, используемые для выработки электрической энергии, имеют в 2,0–2,3 раза меньшие энергетический и эксергетический КПД и удельные капитальные затраты в 5–6 раз большие, чем у ВЭУ аксиального и ортогонального типов. Поэтому в настоящее время использование ФЭП в КСВУ для выработки электроэнергии экономически нецелесообразно. Разработаны методики и алгоритмы расчета основных оригинальных трансформаторов ВИЭ в составе КСВУ. Расчеты показывают, что до 69 % площади и мощности гелиоколлектора приходится на элемент НПК, значительно меньше – до 22 % площади и мощности гелиоколлектора – на элемент НПК-1 и еще меньше – до 9 % площади и мощности гелиоколлектора – на элемент НПК-2. Расчеты, выполненные при тех же условиях, дают значения площади гелиоколлектор, изготовленных целиком из элементов НПК-2:= 14,9 мдля малоэтажного здания. Эти площади практически не отличаются от площадей трехступенчатого гелиоколлектора . Однако, если учесть, что трехступенчатый гелиоколлектор в основном состоит из более дешевых элементов, то капитальные затраты на него будут существенно ниже. Соответственно, существенно меньше будут затраты и на всю гелиоустановку в целом. С энергетической, термодинамической и технико-экономической точек зрения схема КСВУ с оригинальными трансформаторами ВИЭ будет более предпочтительной.
Список литературы

1. Семкин Б. В., Стальная М. И., Свит П. П. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике // Теплоэнергетика. – 1996. – № 2. – С. 6–7.

2. Концепция нетрадиционной энергетики в России // Нетрадиционная энергетика и технология: материалы Междунар. конф. Ч. 1. – Владивосток: ДВО РАН, 1995. – С. 3–4.

3. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. – М.: Готика, 2000. – 236 с.

4. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). – Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2004. – 116 с.

5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. – 208 с.

6. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка эффективности экологически чистой комбинированной солнечно-ветровой установки для туристического комплекса // Экология и безопасность жизнедеятельности: материалы Междунар. конф. – Астрахань, АГТУ, 2010. – С. 84–89.

7. Хоменко Т. В. Системные подходы к анализу измерительных устройств // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2009. – № 1. – С. 88–93.

8. Колер Р. Функционально-физический метод научно-технического творчества. – М.: Сов. радио, 1979. – 184 с.

9. Усачев А. П. Математическое моделирование и комплексная оптимизация сберегающих систем энергоснабжения малых потребителей // Вопросы совершенствования региональных энергетических систем и комплексов: сб. науч. тр. – Саратов: CГТУ, 1999. – С. 60–66.

10. Шишкин Н. Д. Системный подход к анализу энергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2009. – № 2. – С. 29–35.

11. Пат. РФ № 2124680 / Шишкин Н. Д. – М.: РАПТЗ, 1999. – 4 с.

12. Пат. РФ № 2228503 / Бирюлин И. Б., Гостюнин Ю. В., Шишкин Н. Д. Теплогенератор гидравлический. – М.: РАПТЗ, 2004. – 8 с.