Эффективность солнечных коллекторов в Перми

Одной из глобальных проблем современности является обеспеченность человечества ресурсами, в частности энергетическими. По мере роста численности населения, увеличивается и число энергопотребляющих установок, в то время как естественные энергетические ресурсы нашей планеты не успевают восполняться.

В последнее время в России все чаще говорят о снижении энергопотребления за счет повышения энергоэффективности. Основным шагом, направленным на комплексное решение проблемы энергоэффективности, стало принятие Федерального закона об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности.

Россия находится в северо-восточной части самого крупного материка всего земного шара — Евразии. Территория страны занимает территорию между 77° и 41° северной широты. Большая часть страны находится в умеренном субарктическом поясе, что говорит о холодном климате.

На производство тепловой энергии для систем теплоснабжения расходуется около 320 млнт. у. т., или 33% всего потребления первичной энергии в России. Одним из путей решения проблемы рационального использования ресурсов являются альтернативные источники энергии. В данной статье рассматривается активное использование солнечной энергии с целью её преобразования в тепловую.

Опыт многих стран показывает, что альтернативные источники энергии могут эффективно использоваться в различных сферах экономики. По данным отчета 1 наблюдается устойчивый рост использования альтернативных источников энергии. Потребление солнечной энергии по валовому уровню меньше, чем ветровой и гидроэнергии, но темпы роста её использования выше.

Системы, использующие солнечную энергию весьма разнообразны по объему вырабатываемой энергии и конструктивным особенностям. Данные системы могут эффективно использоваться совместно с традиционно применяемыми системами теплоснабжения. 

В статье произведено исследование применения солнечной энергии для относительно небольшого объекта. Данный опыт можно распространить на ряд объектов, таких как курорты, санатории и другие лечебно-профилактические учреждения, которые расположены в рекреационных зонах, где использование местных котельных может приводить к негативным последствиям. 
Система солнечных коллекторов не приводит к ухудшению эстетического вида зданий, получаемая энергия является экологически чистой.

Рис.1 Солнечные коллекторы в г.Пермь. Спорткомплекс BodyBoom

Для условий Пермского края выбран солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором. Данный тип является достаточно эффективным, хотя и относится к наиболее дорогим. Солнечный водонагреватель состоит из наружного блока, который представлен вакуумными коллекторами, и внутреннего блока, состоящего из резервуара-теплообменника. В этих системах теплоносителем коллектора является обычно водногликолиевый антифриз. Теплообменники передают высокую температуру от теплоносителя первого контура воде в баках (аккумуляторах тепла). Системы с закрытым контуром широко распространены в районах с длительно действующими отрицательными температурами, так как они имеют хорошую защиту от размораживания. В связи с высокими значениями температуры при застое теплоносителя в периоды максимальной облучённости, ряд антифризов не пригодны для использования в солнечных системах.

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Вакуумные трубки с внутренней стороны покрыты селективным покрытием в несколько слоев и отражающим слоем. Данное покрытие обеспечивает эффективное поглощение энергии.

Эффективность селективного покрытия измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучающей (α/ε). Солнечный вакуумный коллектор поглощает прямую и рассеянную солнечную радиацию в любую погоду. Коэффициент поглощения энергии коллекторов может достигать 98%, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

где η — расчётное значение КПД; η0 — номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях (от 60 до 65%);

k коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора, для вакуумного солнечного коллектора с тепловыми трубками k = 0,7 – 1,1;

∆T — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха, ° С;

E солнечная радиация, (Вт/кв. м).

За счет использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается больший КПД при работе в условиях низких температур и слабой освещенности

В то же время использование дополнительного теплового контура приводит к потерям, поэтому при температурах выше +15°С эффективность вакуумных коллекторов практически совпадает, а иногда и ниже чем у плоских коллекторов. Наличие качественных многослойных высоко селективных покрытий и вакуума, позволяет современному солнечному коллектору улавливать и передавать солнечную энергию в очень широком спектре излучения.

Для эффективной работы необходимо предусматривать ряд факторов при установке и эксплуатации. Солнечные коллектора устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом – 30°. Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться от 0° (южное направление). Поскольку имеются архитектурно - планировочные ограничения, допускается отклонение от южного направления до 45°.

В связи с тем, что солнечный нагреватель невозможно выключить, в периоды максимального солнечного облучения и малого водоразбора температура (температура застоя или stagnation temperature) в нём может достигать 300°C. Поэтому в качестве трубопроводов обвязки водонагревателей следует применять трубы из меди или нержавеющей стали. Также необходимо предусмотреть теплоизоляцию первого контура трубопроводов обвязки водонагревателей для предупреждения ожогов и возгораний. Материал теплоизоляции и крепежа должен соответствовать указанным температурным режимам. Температура застоя для данного модельного ряда указывается на корпусах коллекторов.

На примере конкретного 3-х этажного здания, расположенного в г. Перми произведена оценка эффективности применения солнечных коллекторов в сравнении с использованием электрической энергии для нагрева горячей воды, а также с вариантом подключения к тепловым сетям. Потребление тепла является круглогодичным.

Энергия необходима для нагрева воды в двух бассейнах спорткомплекса «Боди Бум» (рис.2). Солнечные коллекторы устанавливаются на крыше здания. Система теплообмена для отбора энергии, полученной от солнечных коллекторов, устанавливается в подвальном помещении и интегрируется с существующей системой теплоснабжения и рециркуляции воды в бассейнах. Существующий электрический водонагревательный бак емкостью 1 м3 используется в качестве накопителя тепловой энергии.

Рис.2 Спорткомплекс BodyBoom г.Пермь

Система в данной комплектации (8 коллекторов вакуумного типа, рис.2) рассчитана на нагрев воды ГВС в объеме 1300 л/сутки в температурном диапазоне от 10°С до 60°С (∆t = 50°С) в период времени апрель-сентябрь, а также на замещение части тепловой нагрузки в течении всего года.

Рис.2 Вакуумный коллектор

Система обеспечивает в первую очередь нагрузку бойлера ГВС, с промежуточным теплоносителем  (на 300 л) от солнечных коллекторов. При полном нагреве бойлера ГВС, контроллер автоматики, переключает трехходовой смеситель на загрузку буферного накопителя  (на 1000 л) для накопления излишков тепловой энергии и поддержания системы теплоснабжения бассейнов. Для этого возможно использовать существующий аккумулятор тепла.

Расчет эффективности выработки тепла за счет солнечной энергии зависит от конкретной модели применяемого коллектора, количества солнечной радиации на данной территории и осуществляется по формуле (1).

Количество тепла определяется по  формуле (2). Результаты расчетов приведены в табл.1.

Q = 0,001163⋅V ⋅∆t (2)

где Q — сэкономленная тепловая энергия, кВт/сут;
V — количество нагреваемой воды в сутки;
∆t — изменение температуры нагреваемой воды, °С. Средняя суммарная выработка установки из 8 коллекторов вакуумного типа 1300 л в год может достигать 23,87 МВт.

Расчет экономической эффективности установки производится по прикладной методике экономической оценки 2. В качестве экономических критериев сравнения применяются приведенные затраты, рассчитанные с учетом дисконтирования и инфляции, чистый дисконтированный доход и срок окупаемости. Практическая методика учитывает особенности сложившейся конъюнктуры цен на энергоресурсы в Пермском крае. Таким образом, методика соответствует современным подходам при оценке инвестиционных проектов 3.

Приведенные затраты, с учетом дисконтирования и горизонта расчета определяются по формуле (3):

Зпр = αК + Т – Д (3)

где Зпр — приведенные затраты, руб/год; К — капитальные затраты, руб;
Т — текущие затраты, руб/год;
Д — доходность варианта, руб/год;
α — эмпирический коэффициент приведения капитальных затрат.

Величина чистого дисконтированного дохода (интегрального дисконтированного эффекта) определяется по формуле (4):

Дчд = β(-Зпр),   (4)

где Дчд — доход чистый дисконтированный, руб;
β — коэффициент дисконтирования.
Коэффициенты α и β зависят от ряда факторов: срока строительства, горизонта расчета, прогнозируемой нормы дисконтирования.

Таблица 1. Экономия тепловой энергии по суткам месяца кВт/сут., и по месяцам года, кВт/месяц

При назначении горизонта расчета учитывается срок службы системы 15 лет и возможные изменения в области развития альтернативных технических решений.

Надежность прогноза экономической конъюнктуры на энергоресурсы обеспечена статистическими исследованиями, которые показывают неуклонный рост тарифов на тепловую и электрическую энергию (табл.2). Средний индекс инфляции на тепловую энергию, получаемую от тепловых сетей, составляет 1,21. Средний индекс инфляции на электрическую энергию составляет 1,10.

Определение экономического эффекта при выработке тепловой энергии 23,87 МВт/год производится для горизонта расчета 5, 10 и 15 лет с учетом инфляции на энергоресурсы и дисконтирования капитальных затрат. Норма дисконтирования 0,12.

Для вариантов, которые в пределах горизонта расчета имеют доход, определяется срок окупаемости с учетом дисконтирования (табл.3).

Капитальные затраты на установку солнечных коллекторов и обвязку составляют 540 тыс. руб. Текущие затраты, связанные с ремонтом и обслуживанием 2,7 тыс. руб./год. Проектирование и монтаж установки составляет 2 месяца.

Результаты исследования показывают, что установки использования солнечной энергии для нагрева воды с вакуумным коллектором окупаются при значительном горизонте расчета. Срок окупаемости соизмерим со сроком службы солнечных коллекторов, указываемым производителями (15 лет).

Установки использования солнечной энергии становятся значительно эффективнее при уменьшении капитальных затрат и снижении нормы дисконтирования до ставки рефинансирования Центрального банка России.

Таблица 2. Экономический эффект использования солнечной энергии по годам при сравнении с тепловой и электрической энергией.

Таблица 3. Экономические показатели

Т.Н. Белоглазова,
кандидат технических наук,
доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведения
Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Т.Н. Романова,
кандидат технических наук
доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведение
Пермского национального исследовательского политехнического университета.

СПРАВОЧНО:

Федеральный закон от 23 ноября 2009г. 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Значение солнечной инсоляции в г. Пермь (Пермский край)

Солнечная инсоляция - Инсоляция (происходит от латинского «in solo» – выставлено на солнце) означает облучение пучком параллельных лучей, которые поступают с направления солнечного диска. Другими словами, это количество электромагнитной энергии (радиации), падающей на поверхность земли. Уровень солнечной инсоляции выражается, как правило, в кВт/ч/*м2/сутки и является усредненным значением количества энергии солнца, которое попадает на метр квадратный поверхности земли в течение суток.

Солнечная инсоляция для г. Пермь (59.1928, 56.5714) по данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) приведена в таблице.

В таблице также приводится оптимальный угол наклона солнечных панелей относительно поверхности земли. Это позволит вам рассчитать максимальный КПД для любого времени года. Для управления углом наклона вы может использовать трекеры, либо самостоятельно переставлять угол с помощью специального крепежа.

	Солнечная инсоляция, кВт*ч/м2	Оптимальный угол наклона,  °
Январь	1,24	76
Февраль	2,32	67
Март	3,62	54
Апрель	4,78	38
Май	5,28	22
Июнь	5,86	13
Июль	5,64	16
Август	4,07	28
Сентябрь	2,89	45
Октябрь	1,89	60
Ноябрь	1,46	73
Декабрь	0,83	78
Среднее за год	3,33	47,3

Сколько стоят солнечные коллекторы в Перми?

Стоимость системы подогрева воды с использованием солнечной энергии рассчитывается индивидуально в зависимости от требуемой мощности, сложности монтажа, вида нагревательной установки и других параметров.

ЗАКАЗАТЬ РАСЧЁТ

Оставьте заявку на расчёт и квалифицированные специалисты нашей компании помогут подобрать солнечную водонагревательную систему, удовлетворяющую Вашим потребностям.

ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ:

Рекомендации при выбре солнечного коллектора для ГВС и отопления
Работа солнечного коллектора в пасмурную погоду и холода.