Проблема низкой надёжности энергообеспечения автономных потребителей при использования возобновляемых источников энергии в суровых климатических условиях большинства регионов Российской Федерации в значительной мере сдерживает широкое внедрение технологий ВИЭ. Для обеспечения безрискового энергоснабжения установки на основе ВИЭ дублируются дизель-электрическими, работающим на моторном топливе, что требует приобретения и хранения запасов дорогостоящего моторного топлива. Замена дублирующих источников на более экономичные — является весьма актуальной задачей. Данная задача рассматривалась ранее в работах [1, 2].

В работе на примере фототермоэлектрической системы исследована возможность обеспечения надёжного энергоснабжения сельского дома путём совместного использования солнечной энергии и энергии сгораемой биомассы, используемых для отопления в зимний период. Подобные виды топлива не являются дорогостоящими и широко доступны. По ресурсам биомассы, пригодной для энергетического использования, наша страна находится в числе мировых лидеров [3, 4]. Cхема комбинированной солнечно-термоэлектрической системы энергообеспечения приведена на рис. 1.

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 1

 

Анализ солнечной составляющей энергообеспечения

С учётом данных метеорологических наблюдений количества дней с различными условиями облачности энергия, приходящая на поверхность солнечного преобразователя за месяц [5]:

Qприх.мес = Qприх.ясн(NмесNобл) + Qприх.облNобл, (1)

где Qприх.ясн и Qприх.обл — значения суммарной радиации, приходящей на поверхность солнечного преобразователя за средний день месяца для условий ясного неба и средних условий облачности; Nмес — количество дней в месяце; Nобл — среднее число пасмурных дней по общей облачности за данный месяц [5, 6].

На рис. 2 приведены расчётные значения выработки электрической энергии современных ФЭП (КПД = 15 %) для суммы радиации, приходящей на плоскость определяемой по формуле (1) и данным [5]. Результаты расчётов выработки электрической энергии за год для нормального падения солнечного излучения на поверхность приведены в таб. 1.

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 2

 

Анализ отопительной составляющей энергообеспечения

Суровые климатические условия многих регионов России обуславливают необходимость отопления жилых и производственных помещений в течение длительного времени; подачи значительно большего количества тепловой энергии, чем в здания аналогичного уровня теплозащищённости в более мягких климатических условиях [7]. Объективным количественным показателем суровости климата является параметр ГСОП — градусосутки отопительного периода, который характеризуют суровость климата какого-либо региона (чем выше ГСОП, тем холодней). В зарубежной практике используется подобный показатель Heating Degree Days (HDD), достаточно просто пересчитываемый в принятый в РФ показатель ГСОП [8]. Для России ГСОП существенно (в полтора-два раза) выше, чем для всех европейских стран и США.

Объём тепловой энергии за отопительный период [кВт·ч/год] без учёта потерь тепла на вентиляцию, канализацию и водоснабжение, инфильтрацию через элементы тепловой защиты в соответствие с принятой в России методикой [9] составит:

Qотгод = 0,024ГСОПVотkоб, (2)

где ГСОП — градусо-сутки отопительного периода [°C·сут./год]:

ГСОП = (tв – tот)zот, (3)

где tот и zот — средняя температура наружного воздуха [°C] и продолжительность отопительного периода [сут/год], принимаемые по своду правил для периода со среднесуточной температурой наружного воздуха не более 8 °C; tв — расчётная температура внутреннего воздуха здания, °C; kоб — удельная теплозащитная характеристика здания, [Вт/(м³·°C)]:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 3

где Rпрo,i — приведённое сопротивление теплопередаче i-го фрагмента теплозащитной оболочки здания, (м²·°C)/ Вт; Aф,i — площадь соответствующего фрагмента теплозащитной оболочки здания, м²; Vот — отапливаемый объём здания, м³; nt,i — коэффициент, учитывающий отличие внутренней или наружной температуры у конструкции от принятых в расчёте ГСОП; Kкомп — коэффициент компактности здания [м–1]:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 4

Удельный расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период [кВт·ч/(м²·год)]:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 5

Реально существующие строения, особенно сооружённые в сельской местности методом индивидуального строительства, имеют достаточно низкие значения параметра R в диапазоне от 0,5 до 2,0 [10].

С учётом неравномерности теплопотребления, мощность отопительной системы [кВт] должна быть повышена с целью покрытия пиковых тепловых нагрузок:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 6

На рис. 3 показаны расчётные значения месячного потребления тепловой энергии для дома с достаточно низким уровнем тепловой защищённости (R = 1).

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 7

Анализ графика показывает, что основной вклад в теплопотребление сельского дома вносит отопительная нагрузка, существенно изменяющаяся по месяцам отопительного сезона. Максимальные объёмы теплопотребления приходятся на зимние месяцы и имеют достаточно высокие значения, что позволяет рассмотреть возможность использования термического потенциала данной энергии для одновременного производства электрической энергии при помощи современных термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

Для указанного дома (40 м², R = 1) для климатических условий Уральского региона (ГСОП = 5500) ежемесячное потребление тепловой энергии (рис. 4) позволит произвести с использованием ТЭГ определённый объём электроэнергии [11]:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 8

где Р — мощность, отдаваемая ТЭГ во внешнюю цепь, Вт; a — коэффициент Зеебека (коэффициент термоЭДС), Вт/ °C; m — отношение сопротивлений нагрузки и термоэлектрического модуля; Δt — разность температур нагреваемого и охлаждаемого электродов ТЭГ, °K; N — число пар термоэлектрических элементов в ТЭГ; r — внутреннее электрическое сопротивление модуля при рабочих температурах, Ом.

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 9

Общая эффективность работы термоэлектрической станции (ТГЭС) оценивается величиной коэффициента полезного действия:

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 10

где Р и Q — электрическая мощность в нагрузке и общая тепловая мощность, выделяющаяся при сгорании топлива.

Современные ТЭГ, основанные на использовании полупроводниковых материалов (теллурид висмута Bi2Te3), обеспечивают преобразование тепловой энергии в рабочем диапазоне температур (< 250 °C) в электрическую с эффективностью (ηТЭГ) на уровне 3 % [12–13].

 

Обсуждение полученных результатов

Вследствие естественных законов изменения в годовом цикле приходов солнечной радиации, температуры окружающего воздуха и потребностей в отоплении — возникает возможность эффективного комбинированного производства электрической энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей (в летний период) и тепловой энергии отопительных устройств (в зимний период) с использованием термоэлектрических генераторов. В обобщённом виде объём произведённой комбинированной установкой энергии является функцией от ряда следующих факторов:

Э = Φ(qсол, FФЭП, hФЭС, Vот, ГСОП, R, ηпеч, ηТЭГ, ηТЭГС), (11)

где qсол — удельный приход солнечной энергии, кДж/(м²·мес.); FФЭП, hФЭС — площадь поверхности и КПД ФЭП; Vот, ГСОП и R — отапливаемый объём, климатический фактор (ГСОП) и сопротивление теплового контура здания; ηпеч, ηТЭГ, ηТЭГС — КПД отопительных устройств, ТЭГ и системы нагрева и охлаждения электродов ТЭГС.

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 11

Так как в реальных условиях мощность, вырабатываемая ТЭГС, значительно снижается при уменьшении разности температур и невозможности подвода к ТЭГС всего объёма тепловой энергии от отопительного устройства, фактические значений общего электрического КПД ТЭГС существенно ниже, чем потенциально возможно для современных термоэлектрических преобразователей [2]. На рис. 4 приведены результаты расчётного производства электроэнергии для рассматриваемого дома — для климатических условий Уральского региона. Расчёты показывают, что социальный минимум энергопотребления (50 кВт·ч в месяц) может быть обеспечен ТГЭС с КПД = 1 % и ФЭС с КПД = 15 % общей площадью 6 м².

Приведённые данные показывают достаточность данной системы для обеспечения социального лимита энергопотребления во все месяцы года. Очевидно, что в летний период производимая ФЭС энергия превышает уровень лимита более чем в два раза. Снижение данной неравномерности может быть достигнуто повышением эффективности термоэлектрической генерации в зимний период. Для этого необходимо:

  • организация подвода тепловой энергии в непрерывном режиме, что достаточно легко обеспечивается для отопительных устройств на газообразном и жидком топливе, а также автоматизированных котлов на твёрдом пеллетном топливе (в случае использования традиционного дровяного топлива данная задача решается применением котлов медленного горения типа «Ермак»);
  • поддержание в процессе горения максимально возможного градиента температур между нагреваемым и охлаждаемым электродам ТЭГ;
  • поддержание возможно более низкой температуры охлаждаемого электрода;
  • использование большей части тепловой энергии, образующейся при сжигании топлива для подвода к нагреваемым электродам ТЭГ;
  • исключение потребления электрической энергии на собственные нужды установки.

Реализация только двух последних мероприятий позволит вырабатывать на отопительной нагрузке в январе-декабре более 2 кВт·ч в сутки, что соответствует электрическому КПД печи выше 2 % и позволит обеспечить необходимый уровень энергоснабжения дома при снижении установленной мощности фотоэлектрической станции.

Надёжное энергоснабжение с использованием ВИЭ-технологий. 6/2018. Фото 12

 

Выводы

1. Необходимый для полноценной жизнедеятельности объём тепловой энергии в северных климатических условиях в зимний период достаточно велик и позволяет ставить вопрос о создании когенерационных термоэлектрических установок, генерирующих электрическую энергию на отопительной нагрузке. Особое значение данная проблема имеет в сельской местности из-за относительно низкой тепловой защиты частных домов, больших расходов тепловой энергии и топлива.

2. В летний период года приход солнечной энергии в большинстве регионов страны достаточен для использования современных фотоэлектрических преобразователей.

3. Для реализации возможностей термоэлектрического электроснабжения автономных потребителей необходима разработка специализированных печных систем, обеспечивающих в течение всего периода горения топлива постоянный уровень температуры ТЭГ и максимальное поступление к ним выделяющейся при горении топлива тепловой энергии.

4. Прогресс в области создания малоэнергоёмкого осветительного оборудования, телевизионной, холодильной и другой бытовой техники и средств связи делает возможным использование современных полупроводниковых фотои термоэлектрических преобразователей для производства необходимого количества электрической энергии при достижении полного коэффициента преобразования теплоты в электричество более 0,5–1,0 %.