Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии

Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии использования ВИЭ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе российский.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии и новые методы ее преобразования и аккумулирования" определены в качестве одной из критических технологий в рамках приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации, утвержденных Президентом России 30.03.2002 г., № Пр-577 и Пр-578.

Главными задачами научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок является повышение эффективности преобразования ВИЭ в полезные виды энергии, надежности и других технико-экономических показателей разрабатываемых систем и устройств, поиск ниш экономически эффективного внедрения технологий, создание и опытная апробация демонстрационных установок, подготовка научно-методических материалов, обосновывающих эффективные сферы и способы использования ВИЭ.

Объектами исследований и разработок в диссертации являются технологии, установки и системы, обеспечивающие эффективное преобразование:

— солнечной энергии в тепловую энергию (системы солнечного горячего водоснабжения и отопления), в энергию «холода» (солнечные адсорбционные холодильные установки) и в электроэнергию (солнечные электростанции с термодинамическим преобразованием);

— солнечной (с помощью Фотоэлектрических преобразователей!, ветровой энергии или их комбинации в электроэнергию для энергоснабжения автономных потребителей, в том числе с использованием водородных накопителей энергии;

— геотермальной энергии в электроэнергию (геотермальные электростанции (ГеоЭС), в частности, энергетические установки с низко-кипящими рабочими телами);

— низкопотенциального тепла от различных источников с помощью тепловых насосов в тепловую энергию для целей горячего водоснабжения и отопления.

Целью работы является разработка научных и технологических основ эффективного преобразования перечисленных выше ВИЭ и их апробация путем математического моделирования работы установок и систем в условиях, максимально учитывающих реальные условия эксплуатации, а также путем создания экспериментальных и демонстрационных установок.

В условиях существенной нестабильности поступления энергии от большинства ВИЭ, обусловленной суточными, сезонными, погодными и другими факторами, использование стационарных и квазистационарных методик анализа эффективности преобразования энергии, в отличие от традиционных энергоустановок, как правило, не обеспечивает получения надежных и достоверных результатов. С учетом этого обстоятельства в диссертации реализуется единый методический подход к решению задач моделирования энергоустановок на ВИЭ. Этот подход основан на разработке и применении динамических моделей установок.

Принципиальной особенностью моделей является использование в качестве исходных данных детальной актинометрической и метеорологической информации в формате «типичного метеогода — TMY» (часовые годовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости ветра и температуры атмосферного воздуха). TMY генерируется с помощью международно-отработанных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных1. Исследования, проведенные рядом зарубежных авторов и направленные на определение оптимальной степени детализации исходных актинометрических.

1 Hall I.- Prairie R.- Anderson H.- Boes E. Generation of Typical Meteorological Years for 26 SOLMET Stations. SAND78−1601. — Sandia National Laboratories. Albuquerque. 1978. (http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/tmy2/ overview. html#method) данных (шага интегрирования) при моделировании работы солнечных установок, показали, что адекватное описание таких установок с приемлемой погрешностью предсказания интегральных энергетических показателей обеспечивается при часовых интервалах представления солнечной радиации. Более мелкие шаги интегрирования не приводят к существенному повышению точности результатов, но ведут к резкому увеличению продолжительности расчетов. Увеличение шага интегрирования более 1 часа приводит к существенному повышению погрешности расчетов.

Динамическое моделирование большинства рассмотренных в диссертации установок осуществляется с применением современного программного продукта ТЯМБУБ2, используемого в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЗ ведущими мировыми научными центрами. Среда динамического моделирования ТЯМБУБ, первоначально разработана в Висконсинском университете (США) в 1973 году для моделирования систем солнечного теплоснабжения. На сегодня ТЯМБУБ является отраслевым стандартом де-факто, что позволяет говорить о достоверных результатах моделирования.

Среда предназначена для описания поведения систем, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений, и представляет собой набор ФОРТРАН-модулей, необходимых для управления процессом моделированиямодулей, описывающих поведение различных элементов системы и используемых в качестве «кирпичей» для ее сборки, а также ряда вспомогательных модулей, в том числе предназначенных для ввода и вывода информации и ее анализа. Весь этот набор откомпилирован в динамическую библиотеку и работает под управлением собственно программы динамического моделирования.

Конфигурация моделируемой системы задается пользователем в виде специального файла описания связей между элементами систе.

2 TRNSYS — The Transient System Simulation Program // http://sel.me. wisc.edu/TRNSYS/ мы. Этот файл в последних версиях ТЯ^УБ генерируется специальной программой с удобным графическим интерфейсом.

Модульный характер ТКМБУБ, наличие исходного кода и четких правил описания и связывания модулей определяют открытый характер ТК^УБ, позволяя пользователю создавать модули описания собственных элементов и включать их в моделируемые системы, расширяя таким образом возможности среды моделирования. Кроме того, независимой переменной при моделировании не обязательно должно быть время, что дает возможность проводить вариантные и оптимизационные расчеты, исследуя поведение квазидинамической системы при изменении соответствующих параметров.

Технология динамического моделирования установок на ВИЭ иллюстрируется рис. 1. В результате статистической обработки результатов моделирования определяются интегральные энергетические и технико-экономические показатели установок. В некоторых случаях (см., например, раздел 2.2., относящийся к солнечным водонагревательным установкам) удается получить обобщающие зависимости, на основе которых возможно построение инженерных методик расчета.

СРЕДНЕМЕСЯЧНЫЕ ДАННЫЕ ПО СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ, ТЕМПЕРАТУРЕ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА, СКОРОСТИ ВЕТРА.

Динамическое моделирование работы установки в течение года (ТДЫЗУЭ).

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

Рис. 1. Технология моделирования установок на ВИЭ.

Для достижения сформулированной выше цели, в том числе с использованием описанного единого методического подхода, в диссертации решаются следующие конкретные задачи:

В области преобразования солнечной энергии в тепловую энергию:

— Используя доступные источники климатической информации, систематизировать, обобщить и представить в удобном для практического использования виде данные о распределении ресурсов энергии солнечного излучения по территории России за различные периоды года, необходимые для оценки эффективности использования солнечных установок.

— Разработать и с использованием имитационных моделей и путем создания экспериментальных объектов обосновать эффективные схемы солнечного горячего водоснабжения и отопления различных потребителей на основе плоских солнечных коллекторов и «солнечных прудов»,.

— Разработать методику оценки эффективности применения солнечных водонагревательных установок в климатических условиях различных регионов России, ориентированную на разработчиков и потенциальных пользователей солнечных установок.

— Разработать и создать экспериментальные конструкции солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с применением современных теплостойких полимерных материалов, обеспечивающие существенное улучшение технико-экономических показателей по сравнению с традиционными солнечными установками, изготавливаемыми с использованием металлических материалов и стекла.

В области преобразования солнечной энергии в энергию холода с помощью адсорбционных холодильных установок: провести анализ эффективности использования различных адсорбентов воды в солнечных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях, выявить основные критические параметры, влияющие на эффективность преобразования солнечной энергии и разработать практические рекомендации;

В области раздельного и комбинированного использования солнечной (с помощью фотоэлектрических преобразователей) и ветровой энергии для энергоснабжения автономных потребителей: разработать методы математического моделирования работы автономных солнечно-ветровых энергоустановок в реальных климатических условиях с целью обоснования их оптимальной конфигурации и определения возможности создания полностью автономных энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и/или водородными накопителями, сформулировать задачи необходимых экспериментальных исследований, разработать и создать прототип автономной солнечно-ветровой энергоустановки для конкретного потребителя;

В области преобразования солнечной энергии в электрическую энергию на электростанциях с термодинамическим циклом: разработать принципиальные схемы солнечных электростанций (СЭС), работающих с использованием современных газотурбинных установок, и на основе динамического математического моделирования провести сравнительный анализ энергетической эффективности различных перспективных схем СЭС.

В области преобразования геотермальной энергии в электрическую энергию: разработать обобщенную схему и имитационную модель геотермальной электростанции и на основе единого подхода провести сравнительный анализ различных схем ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящих рабочих телах или с их комбинацией на примере разрабатываемого бинарного блока Верхнее-Мутновской ГеоЭС.

В области преобразования низкопотенииального тепла с помощью тепловых насосов в тепловую энергию: разработать принципиальные схемы систем теплоснабжения с парокомпрессионными тепловыми насосами, утилизирующими тепло от нестационарных источников с существенным различием графиков выделения и потребления тепла, и с использованием имитационной модели обосновать оптимальные технические решения по созданию теплонасосной системы теплоснабжения конкретного объекта.

На защиту выносятся следующие результаты исследований и разработок, выполненных лично автором или под его научным, руководством, обладающие существенной научной новизной и практической значимостью:

1. Методика формирования базы данных и результаты построения карт распределения среднедневных потоков солнечной радиации на земную поверхность и различным образом ориентированные в пространстве неподвижные поверхности за различные периоды года для территории России для гелиотехнических приложений.

2. Новый критерий эффективности использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях: число дней за определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые вода в баке-аккумуляторе солнечной установки нагревается за счет солнечной энергии не ниже заданного контрольного уровня температуры (37, 45 или 55°С).

3. Инженерная методика расчета эффективности работы солнечных водонагревательных установок (СБУ) в различных климатических условиях на основе вновь введенного критерия и традиционно используемого критерия («доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии»), разработанная на основе применения современных методов динамического моделирования «типичной» СБУ. Установление корреляционных зависимостей между двумя указанными выше критериями.

4. Результаты анализа эффективности применения солнечных прудов для целей теплоснабжения и производства электроэнергии.

5. Результаты разработки, создания и экспериментальной эксплуатации ряда демонстрационных объектов с системами солнечного отопления и горячего водоснабжения.

6. Результаты разработки новых типов солнечных коллекторов и СБУ из теплостойких полимерных материалов, обеспечивающих улучшенные технико-экономические и эксплуатационные показатели.

7. Результаты анализа эффективности солнечных адсорбционных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях.

8. Результаты анализа показателей и рекомендации по выбору оптимальной конфигурации полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и водородными накопителями с учетом реальных климатических условий места предполагаемой эксплуатации.

9. Принципиальные схемы и результаты сравнительного анализа схем СЭС башенного типа, работающих с использованием регенераци-онного цикла Брайтона, обычного цикла Брайтона с инжекцией пара и комбинированного парогазового цикла преобразования энергии.

10. Обобщенная принципиальная схема и результаты сравнительного энергетического анализа ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией в зависимости от исходных параметров геотермального флюида, свойств рабочего тела, а также с учетом ограничений по предотвращению солеотложений в пароводяном контуре станции.

11. Результаты моделирования, разработки и создания системы теплонасоного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, работающей с утилизацией низкопотенциального тепла масляной системы подвески телескопа в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления тепла.

Большая часть исследований и разработок, представленных в диссертации, выполнялась в рамках проектов, входящих в состав Федеральных и региональных научно-технических программ, инициативных проектов, финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований, Московским комитетом по науке и технологиям Правительства Москвы, а также в рамках международных проектов и договоров с различными заказчиками.

Так, например, исследования и разработки в области использования солнечной энергии и тепловых насосов для целей теплохладо-снабжения в последние годы проводились:

— по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 годы" по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям № 41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракте Роснаукой № 02.447.11.5011);

— по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетического использования возобновляемых источников энергии в регионах России» (Государственный контракт с Роснаукой № 02.516.11.6013);

— по программе РАН «Повышение эффективности использования учреждениями РАН энергоресурсов и сокращения расходов на эти цели»;

— по грантам РФФИ: 01−02−17 317 «Разработка математических моделей и программного обеспечения для прогнозирования эффективности применения солнечных и комбинированных солнечно-теплонасосных систем теплоснабжения в климатических условиях России», 03−02−16 637 «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах», 05−02−16 953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла», 05−08−1 469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов», 0608−1 530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах».

— по грантам ОАО МКНТ Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг., а также.

— в рамках научного сотрудничества с Ulster University (Северная Ирландия).

Исследования в области солнечных электростанций выполнялись в рамках научного сотрудничества по программе Международного энергетического агентства SolarPACES (высокотемпературные энергетические и химические технологии использования концентрированного солнечного излучения) с DLR (Германия), CIEMAT (Испания), SNL (США), WIS (Израиль) и др., а также в рамках Международного проекта 6-ой Рамочной программы Европейского союза «European Concentrated Solar Thermal Roadmap (ECOSTAR) Coordination Action» в 20 032 005 гг. (Consortium: Deutsches Zentrum fur Luftund Raumfahrt e.V. (DLR) — координатор, VGB PowerTech e.V., Centro de investigaciones energeticas, medioambientales y tecnologicas (CIEMAT), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS-IMP), Weizmann Institute of Science (WIS), ETH — Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Institute for high temperatures, Russian academy of sciences (ИВТАН)).

Исследования в области геотермальной энергетики выполнялись по контрактам с ЗАО «Геотерм» в рамках разработки проекта Верхне-Мутновской геотермальной электростанции, по гранту РФФИ 03−02−16 637-а «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах» и в рамках международного проекта 6-ой рамочной программы Европейского Союза «EIMGINE».

Исследования в области разработки солнечных адсорбционных холодильных установок проводились в рамках проекта INTAS 03−516 260 «SOUC» «Исследование солнечной адсорбционной холодильной установки, использующей новые адсорбирующие материалы (координатор: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Istituto di Tecnologie Avanzate per I’Energia «Nicola Giordano» (ITAE), Италия, соисполнители: И ВТ РАН (Россия), Aachen University (RWTH-Aachen) (Германия), Институт Катализа СО РАН, МГУ (Россия), Институт Технической теплофизики НАНУ (Украина), а также гранта РФФИ 05−02−16 953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла».

Исследования по разработке полностью автономных энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии с водородными накопителями выполнялись в рамках Соглашения Академии наук с ОАО «ГМК «Норильский никель» по водородной энергетике и гранта РФФИ 06−08−337 «Теоретическое и экспериментальное исследование автономных солнечно-ветровых энергоустановок».

Работы выполнялись в рамках научной школы академика А. Е. Шейндлина и члена-корреспондента РАН Э. Э. Шпильрайна.

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит:

— в развитии теоретических, методических и технологических основ эффективного преобразования различных ВИЭ, обеспечивающих базу для практического применения рассматриваемых технологий в различных секторах экономики;

— в создании ряда опытно-демонстрационных объектов с системами энергоснабжения с использованием солнечной энергии и утилизацией низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов;

— в практической реализации экономически эффективных технических решений по использованию возобновляемых источников энергии при реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН, обеспечивших существенную экономию электроэнергии и повышение надежности энергоснабжения;

— в разработке новых конструкций и создании научных основ для организации опытного производства плоских солнечных коллекторов и индивидуальных солнечных водонагревательных установок из теплостойких и стойких к ультрафиолетовому излучению пластмасс, имеющих при сохранении высокой энергетической эффективности в 1,5 — 2 раза более низкую стоимость, чем коллекторы и СБУ, изготавливаемые из цветных металлов и стекла.

Достоверность результатов исследований обусловлена применением современных международно-признанных методов и программных средств динамического моделирования рассматриваемых систем и установок (TRNSYS), проведением анализа погрешностей полученных результатов и анализа чувствительности полученных интегральных энергетических характеристик к изменению ключевых параметров, проведением натурных экспериментов и положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем теплоснабжения с использованием ВИЭ.

Автор глубоко признателен к.т.н. С. Е. Фриду, в тесном сотрудничестве с которым выполнен обширный комплекс расчетно-теоретических исследований, к.ф.-м.н. В. Н. Щеглову, аспиранту М. Ж. Сулейманову, инженеру-конструктору И. В. Прокопченко, аспиранту A.B. Мордынскому и механику В. В. Пилипенко, совместно с которыми велись разработки и испытания новых конструкций солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс, аспирантке Ю. Г. Колоииец, выполнившей огромный объем работ по формированию климатических баз данных и построению карт распределения ресурсов солнечной энергии для регионов России, к.т.н. Л. Б. Директору, с участием которого созданы экспериментальные и демонстрационные установки на объектах Специальной астрофизической обсерватории РАН и выполнены работы по подготовке уравнений состояния перспективных органических рабочих тел для бинарных геотермальных энергоустановок, к.т.н. A.A. Чернявскому (ОАО «Ростовтеплоэлектропроект»), внесшему решающий вклад в разработку и реализацию проектов установок на ВИЭ для CAO РАН, к.т.н. Д. Б. Изосимову (ИПУ РАН), и В. Л. Туманову (НИК-НЭП), к.т.н. В. И. Трофименко (МЭИ), в тесном сотрудничестве с которыми разработаны подходы к созданию автономных энергоустановок с водородными накопителями, студенту МФТИ С. С. Шаронову, увлеченно участвовавшему в разработке солнечной адсорбционной холодильной установки, к.ф.-м.н. C.B. Киселевой и студентке E.H. Тереховой (МГУ им. Ломоносова) за активное сотрудничество в подготовке Атласа ресурсов солнечной энергии в регионах России, д.х.н. Ю. И. Аристову (ИК СО РАН) за плодотворное сотрудничество при проведении исследований солнечных адсорбционных холодильных установок, а также к.т.н. А. Г. Мозговому, участвовавшему в создании стендового оборудования, и многим другим сотрудникам и коллегам, внесшим вклад и содействовавшим выполнению исследований и разработок по теме диссертации.

Особую благодарность автор выражает члену-корреспонденту РАН Э. Э. Шпильрайну, без постоянного внимания и научного руководства которого выполнение данной работы вообще вряд ли было бы возможно.