CC BY
30
УДК 621.548 (470.21)
В. А. Минин, Г. В. Никифорова
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С УЧАСТИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Аннотация
Оценен потенциал ветровой энергии Мурманской области и выявлены предпосылки использования ветра для теплоснабжения потребителей прибрежных районов Баренцева и Белого морей. Рассмотрен годовой график отопительной нагрузки потребителей, показано возможное участие котельной и ветроэнергетической установок в его покрытии. Показана целесообразность внедрения в схему теплоснабжения аккумуляторов теплоты, позволяющих запасать периодически возникающие избытки ветровой энергии и затем полезно использовать их в периоды провала ветра.
Ключевые слова:
Мурманская область, энергия ветра, теплоснабжение, котельная, ветроустановка, аккумуляторы тепловой энергии.
V. A. Minin, G. V. Nikiforova
PROSPECTS FOR THERMAL ENERGY ACCUMULATORS APPLICATION IN HEATING SYSTEMS INVOLVING WIND TURBINES
Abstract
We have estimated the potential of wind energy in the Murmansk Region and identified the premises for the use of wind for heat supply of consumers of the coastal strips of the Barents and White Seas. We have also considered annual schedule of the customers heating load, and have shown the possible commitment of the boiler and wind turbines in it. It is advisable to embed the thermal storages into heating circuit, which allow reserving cyclic wind over-generation for further effective usage during the low-load periods.
Keywords:
Murmansk Region, wind energy, heat supply, boiler, wind turbine, thermal energy storage.
В последние годы повсеместно ведутся исследования, направленные на вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), таких как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, приливная энергия и др. Потенциальные возможности применения этих источников огромны. Их вовлечение в хозяйственный оборот — это путь к сокращению объемов использования органического топлива, энергосбережению и улучшению экологической обстановки вблизи потребителей энергии.
Использование возобновляемых источников энергии наиболее перспективно в районах, располагающих повышенным потенциалом этих источников и испытывающих недостаток в обычных традиционных топливных ресурсах. На Европейском Севере России к числу таковых относится Мурманская область, энергетика которой в значительной мере базируется на привозном органическом топливе.
Результаты обработки 20-летних рядов наблюдений за скоростью ветра по 37 метеорологическим станциям Кольского полуострова показали [1, 2], что среднегодовые скорости ветра в прибрежных районах Баренцева моря
достигают 7-8 м/с на высоте 10 м (рис. 1). На побережье Белого моря потенциал ветра несколько ниже — 5-6 м/с. Повсеместно в указанных районах имеет место явно выраженный зимний максимум скоростей ветра. Это является благоприятной предпосылкой для эффективного использования энергии ветра на нужды отопления.
Рис. 1. Средние многолетние скорости ветра (м/с) на высоте 10 м от поверхности земли
Известно, что основным недостатком ветра является его непостоянство. Использование энергии ветра для теплоснабжения потребителей позволяет довольно успешно бороться с указанным недостатком. Кратковременные порывы ветра длительностью до нескольких минут легко сглаживаются за счет аккумулирующей способности теплоносителя, имеющегося в системе теплоснабжения. Более длительные порывы ветра (до нескольких часов) могут сглаживаться за счет аккумулирующей способности отапливаемых зданий и помещений. Однако анализ хронологического хода графика отопительной нагрузки, покрываемого, в первую очередь, ветроустановкой, а остальное за счет котельной, показал (рис. 2), что длительность периодов спада и подъема нагрузки может измеряться в сутках. Было установлено, что в периоды с активным ветром могут иметь место избытки ветровой энергии, которые при отсутствии специальных аккумулирующих устройств не могут быть использованы.
А^ °С
Дни
Рис. 2. Фрагмент хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки на полигоне КНЦ РАН на северном побережье
Кольского полуострова: 1 — график тепловой нагрузки; 2 — полезно используемая энергия ВЭУ;
3 — избыточная энергия ВЭУ; 4 — энергия, вырабатываемая котельной
Для более полного использования ветровой энергии целесообразно применение аккумулирующих устройств, например емкостей с горячей водой, в которых может накапливаться запас тепловой энергии и далее расходоваться в периоды со слабым ветром. Зарубежный опыт организации систем теплоснабжения свидетельствует о широком применении тепловых аккумуляторов. Обычно они представляют собой емкости, заполненные водой. Имеются решения, в которых в качестве теплоносителя используется машинное масло. Находят применение схемы, в которых для увеличения теплоемкости аккумулирующих устройств в состав последних включаются элементы аккумуляторов фазового перехода (АФП), использующие теплоту плавления некоторых веществ, например кристаллогидратов солей. Такая «начинка» позволяет существенно снизить объемы аккумулирующих емкостей и улучшить показатели работы системы.
Не останавливаясь на особенностях конструктивного исполнения аккумуляторов теплоты, перейдем к оценке эффективности их применения в системах с участием ВЭУ. При рассмотрении этого вопроса в качестве основы были взяты данные непрерывных наблюдений за скоростью ветра и температуры наружного воздуха на ветроэнергетическом полигоне Центра физико-технических проблем энергетики Севера (ЦФТПЭС) КНЦ РАН на побережье Баренцева моря в пос. Дальние Зеленцы. Эти данные можно считать представительными для всего северного побережья Кольского полуострова. На основании их были построены: график потребности потребителей в тепловой
энергии с учетом ветра (график отопительной нагрузки), график выработки энергии ВЭУ и график возможной работы котельной, дополняющей работу ВЭУ в периоды со слабым ветром. Такие построения представлены на рис. 3. Установленные мощности котельной и ВЭУ взяты одинаковыми фг = 1), равными максимальной тепловой нагрузке в период самой холодной пятидневки (в данном случае 7-11 февраля.). На этом же рисунке показана возможная работа теплового аккумулятора. Емкость аккумулятора принята равной 2-суточному расходу теплоты при работе потребителя с максимальной нагрузкой. Аккумулятор работает за счет изменения температуры теплоносителя (воды) в диапазоне от 50 до 90 оС.
Режим работы аккумулятора предполагался следующим. В исходном незаряженном состоянии температура теплоносителя в аккумуляторе так = 50 оС. Если поступление теплоты за счет работы ВЭУ превысит текущий расход тепла на отопление, то будет происходить заряд аккумулятора, температура воды в нем повысится (50 °С < так < 90 °С). Если поступление энергии от ВЭУ станет недостаточным для покрытия графика нагрузки, часть энергии будет заимствоваться из аккумулятора. При полном разряде аккумулятора (так < 50 оС) и наступлении дефицита теплоты, показателем чего может быть снижение температуры внутри помещения ниже предельного уровня (^ вн < 20 оС), в работу включится котельная. В целях экономии топлива и максимального использования энергии ветра систему теплоснабжения можно настроить так, чтобы котельная работала совместно с ВЭУ до создания только полусуточного (а не полного 2-суточного) запаса теплоты в аккумуляторе (так = 60 оС). После этого котельная отключается и отопление ведется за счет ВЭУ и аккумулятора. Теперь вновь при избытке поступления энергии от ВЭУ она будет запасаться в аккумуляторе вплоть до 2-суточного запаса (так = 90 оС), а при недостатке заимствоваться из аккумулятора вплоть до его полного разряда (так = 50 оС) и включения резерва (при tвн < 20 оС).
Анализ графиков рис. 3 показывает, что при длительных периодах активных ветров и при низкой отопительной нагрузке могут иметь место случаи, когда при полном заряде теплового аккумулятора избыток энергии от ВЭУ не может быть использован. В этом случае будет наблюдаться частичный перегрев зданий и потребуется остановка ВЭУ на некоторый период.
Применение теплового аккумулятора по рассмотренной схеме позволяет более полно использовать ветровую энергию, значительно сократить время работы котельной и увеличить тем самым экономию топлива. Конкретные цифры, характеризующие положительный эффект от применения теплового аккумулятора, представлены в таблице, из которой видно, что благодаря аккумулированию участие ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки возрастает на 5-12 % в зимние месяцы и на 23-29 % — в летние. В отдельные периоды вся нагрузка покрывается только за счет ВЭУ. Существенно изменяется такой показатель, как число дней, в которые требуется включение котельной. При работе без аккумулятора котельную необходимо включать в работу в среднем каждый второй день (13-20 раз в месяц и 170 раз в год). Наличие аккумулятора позволяет обращаться к котельной только 1-6 раз в месяц и около 20 раз в год, т. е. в 5-8 раз реже.
о
4
Таблица
Влияние аккумулятора теплоты на полноту участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки в условиях северного побережья Кольского полуострова (пос. Дальние Зеленцы)
Параметр Месяц Среднее за год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Средняя скорость ветра, м/с 8.8 10.3 7.0 8.5 6.1 5.9 4.6 5.0 5.4 9.3 8.7 8.9 7.4
Средняя температура наружного воздуха, °С -11.0 -9.9 -7.2 -5.1 1.7 3.6 8.2 9.9 6.5 0.3 -3.7 -9.4 -1.3
Доля участия ВЭУ, %
при работе без аккумулятора теплоты 71.2 85.0 65.0 88.5 74.0 76.5 65.7 73.8 70.8 90.8 84.0 82.5 78.5
с аккумулятором 80.2 90.6 77.3 97.9 97.3 100 92.1 100 100 100 96.1 87.2 91.3
Количество дней с включением котельной
при работе без аккумулятора теплоты 23 12 21 12 18 13 20 13 13 5 13 18 171
с аккумулятором 6 3 5 1 1 - 1 - - - 1 4 22
Декабрь
Январь
М, С
и = 8.8 м/с
40 -
20
Февраль г) = 10.3 м/с
Март
Рис. 3. Участие ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки (а) и возможная работа теплового аккумулятора (б)
о
(Л
Выводы
1. Прибрежные районы Кольского полуострова располагают повышенным потенциалом энергии ветра: среднегодовые скорости ветра на высоте 10 м составляют 5-8 м/с.
2. В указанных районах имеет место явно выраженный зимний максимум скоростей ветра, что является благоприятной предпосылкой для эффективного использования энергии ветра на нужды отопления.
3. При включении ВЭУ в систему теплоснабжения кратковременные порывы ветра (до нескольких минут) сглаживаются за счет аккумулирующей способности теплоносителя, более продолжительные колебания (до нескольких часов) могут сглаживаться за счет аккумулирующей способности отапливаемых зданий и помещений.
4. Для использования избытков ветровой энергии, возникающих в периоды с сильным ветром или в периоды снижения отопительной нагрузки, целесообразно применение аккумуляторов тепловой энергии.
5. Аккумулирование и последующее использование периодически возникающих избытков ветровой энергии позволяет сократить время работы основного источника (котельной), увеличить экономию органического топлива, сократить эксплуатационные расходы.
Литература
1. Энергия ветра — перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области: препринт / В. А. Минин, Г. С. Дмитриев, Е. А. Иванова, Г. В. Никифорова, А. В. Бежан. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. 73 с.
2. Минин В. А. Ресурсы нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мурманской области и приоритеты их использования // Вестник Кольского научного центра РАН. 2010. № 1. С. 94-101.
Сведения об авторах Минин Валерий Андреевич,
заведующий лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Никифорова Галина Викторовна,
младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
