Теплоснабжение с применением ветроэнергетических установок

А. В. Бежан, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН, г. Апатиты

Применение ВЭУ для теплоснабжения потребителей подразумевает подключение этих агрегатов в существующую систему теплоснабжения небольших городов и поселков, расположенных в ветреных районах страны и испытывающих трудности в обеспечении работающих котельных топливом по разным причинам: трудности транспортировки, постоянный рост цен на традиционные энергоносители и т. п.

На рис. 1 приведена принципиальная схема возможного присоединения ВЭУ к действующей системе децентрализованного теплоснабжения, т. е. когда источник и потребитель тепла находятся рядом. Данные для оценки получаемого энергосберегающего эффекта при подключении ВЭУ в систему обеспечения теплом потребителя были взяты из результатов непрерывных наблюдений за скоростью ветра и температурой наружного воздуха, полученных на ветроэнергетическом полигоне ИФТПЭС КНЦ РАН, расположенном на побережье Баренцева моря в пос. Дальние Зеленцы¹.

Рисунок 1. Система теплоснабжения потребителя от ВЭУ и котельной

Не останавливаясь на особенностях конструктивного исполнения, перейдем к оценке энергосбережения системы теплоснабжения с участием ВЭУ.

При рассмотрении данного вопроса производился теоретический расчет, где для теплоснабжения здания общим объемом 1 000 м³ применялась ВЭУ в составе резервной котельной установки мощностью 40 кВт.

Прежде всего был произведен расчет теплового потребления здания, для последующего построения графика отопительной нагрузки, который зависит главным образом от изменения температуры наружного воздуха и скорости ветра.

Расчет теплового потребления проводился на основании методики, представленной в [1], исходя из условия, что для поддержания температуры воздуха в помещении постоянной необходимо обеспечить равенство теплопотерь и теплопритоков. Для этого рассчитывался часовой расход тепла на отопление отдельного жилого здания   из теплового баланса здания (Гкал):

Q_от = 1,1 (Q_н.о + Q_в - Q_вн), (1)

где 1,1 – коэффициент, учитывающий дополнительные потери тепла в местной системе отопления;

Q_н.о – потери тепла через наружные ограждения здания;

Q_в – тепло, затрачиваемое на вентиляцию (на подогрев вентиляционного воздуха);

Q_вн  – тепловые выделения внутри здания.

Выполнив все необходимые расчеты согласно [1], был построен график отопительной нагрузки (рис. 2, кривая красного цвета).

Рисунок 2. Фрагменты хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки при Vср = 10,3 м/с. Ветрополигон КНЦ РАН в пос. Дальние Зеленцы

Для определения эффективности использования ВЭУ в анализируемой системе теплоснабжения рассмотрим, какой может быть доля участия ВЭУ в отопительном процессе. При оценке были рассмотрены три варианта с различными мощностями используемых ВЭУ – 20, 40 и 60 кВт. Мощность котельной установки в каждом случае оставалась постоянной и равнялась 40 кВт. Если к системе теплоснабжения подключена ВЭУ, то часть графика отопительной нагрузки будет покрываться за счет ВЭУ. Используя данные эксперимента, проводимого в феврале 2007 года, когда среднее значение скорости ветра равняется 10 м/с, были построены графики отопительной нагрузки с участием ВЭУ (рис. 2). На основании графиков можно сделать вывод, что в периоды с большой скоростью ветра ВЭУ может в значительной мере или полностью обеспечить потребности в тепле (рис. 2, область желтого цвета), а иногда даже создать избыток энергии (рис. 2, заштрихованная область).

Мощность, которую может развить ВЭУ, определяется из [2] выражением:

N^сут_вэу = 4,81•10^-4 D² σ³ ξ η_р η_г, (2)

где D – диаметр ветроколеса, м;

σ – среднесуточная скорость ветра, м/с;

ξ – значение коэффициента использования энергии ветра;

η_р – КПД редуктора;

η_г – КПД генератора.

В случае эксплуатации ВЭУ мощностью 20 кВт (рис. 2а) потребитель обеспечивается тепловой энергией от ВЭУ на 52 %. Совсем по-другому обстоит дело при эксплуатации ВЭУ с мощностями 40 и 60 кВт (рис. 2б, 2в). За счет увеличения мощности ветроэнергетических установок можно обеспечить потребителя тепловой энергией на 85–90 %. Это позволяет минимально использовать тепловую энергию, вырабатываемую котельной установкой, благодаря чему можно значительно экономить традиционное топливо и соответственно уменьшить объем вредных выбросов в атмосферу, образуемых при его сжигании.

По имеющимся данным максимальная экономия топлива получена при применении ВЭУ мощностью 60 кВт и составила за один месяц (февраль – 28 дней): для природного газа – 2 257,037 кг у. т; для угля – 2 257,188 кг у. т; для мазута – 2 256,953 кг у. т, для древесины – 2 256,564 кг у. т. Зависимость экономии природного газа от использования ВЭУ разных мощностей в системе теплоснабжения за указанный период представлена на рис. 3. Для других видов топлива (угля, мазута и древесины) зависимости имеют аналогичный характер.

Рисунок 2. Экономия природного газа за счет применения ВЭУ в системе теплоснабжения

Итак, можно сделать следующие выводы:

1. Применение ВЭУ позволяет рассматривать ветер не только как климатический фактор, повышающий теплопотери зданий, но и как полноценный источник энергии, обеспечивающий максимальную выработку энергии, покрывающую нужды отопления, именно в периоды своей наивысшей активности.

2. При использовании энергии ветра в целях отопления зданий не требуется поддержания высокого качества энергии, вырабатываемой ВЭУ, что позволяет максимально упростить конструкцию самой ВЭУ, а значит сделать установку более дешевой и надежной в эксплуатации. Необходимо, чтобы выдаваемое ВЭУ количество энергии было достаточным для обеспечения тепловой нагрузки.

3. Применение ВЭУ в зонах децентрализованного теплоснабжения способно сократить до 80–90 % использование дефицитного органического топлива, сжигаемого местными котельными, и этим улучшить экологическую обстановку местности.

4. При использовании ВЭУ для нужд теплоснабжения появляется возможность успешно бороться с основным недостатком ветровой энергии – непостоянством во времени. Кратковременные (секундные и минутные) изменения мощности ВЭУ могут сглаживаться за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Более продолжительные колебания (от нескольких минут до нескольких часов) могут выравниваться за счет аккумулирующей способности самих отапливаемых зданий. Во время более длительных перерывов (затиший) в работу можно включать специальные аккумулирующие устройства или источники тепла на органическом топливе, выполняющие роль вспомогательного резервного оборудования.

Литература

1. Теплоснабжение: Учебник для вузов / А. А. Ионин, Б. М. Хлыбов, В. Н. Братенков, Е. Н. Терлецкая. – М.: Стройиздат, 1982.

2. Оценка ресурсов и эффективности использования энергии ветра, малых рек и других возобновляемых источников энергии в районах европейского Севера / Перспективы энергоснабжения изолированных потребителей севера с использованием энергии ветра: Отчет о НИР / ИФТПЭС КНЦ РАН; Руководитель В. А. Минин. – Апатиты, 1993.

¹ Район пос. Дальние Зеленцы – одно из самых ветреных мест Мурманской области. Здесь в среднем отмечается 115–125 дней в году, когда скорость ветра достигает более 15 м/с.