Газопоршневые энергетические установки (мини ТЭС)

Газопоршневые энергетические установки (мини ТЭС) – это газопоршневой двигатель, на валу которого стоит обычный генератор. При выработке поршневым двигателем электрической энергии выделяется тепловая энергия в виде тепла выпускных газов и тепла охлаждающей жидкости. Данную тепловую энергию можно собирать, используя системы когенерации и использовать для отопления и в технологических целях. При этом тепловой энергии вырабатывается в 1,3 раза больше, чем электрической, это значит, что с мини-ТЭС электрической мощностью в 1МВт можно получить 1,3 МВт тепла. Однако, количество вырабатываемой тепловой энергии пропорционально количеству выработанной электроэнергии. Поэтому при снижении электрической нагрузки на электроагрегат выработка тепла также снижается.

Генераторный газ выходит из газогенератора с температурой от 350 до 600ºС. Его физическое тепло уже является теплоносителем. После сжигания в воздушной сфере его температура поднимается до 1000 – 1200ºС, а необходимая температура для технологического процесса обеспечивается разбавлением сгоревших газов определенным количеством воздуха. После чего данная газовая смесь может либо на прямую поступать для реализации необходимого технологического процесса, либо проходить через теплообменники, нагревая воздух, воду или другой необходимый теплоноситель.

Окупаемость мини ТЭС во многом зависит от способа ее использования. Если она полностью используется (электричество + тепло), окупаемость легко рассчитать как экономию от покупки тепла и электричества, полученного от сторонней организации. Если же, например, электричество используется полностью, а тепло частично, то при продаже избытка тепла по установленным тарифам срок окупаемости существенно сокращается. В среднем окупаемость колеблется в пределах 2—4 лет. Этот проект также можно использовать как коллективный. Важное преимущество газопоршневой теплоэлектростанции – экологическая безопасность. Поэтому предпочтительно использование более дешевого и экологически чистого топлива (с малым выбросом СО₂), что соответствует программе Киотского протокола, подписанного правительством нашей страны.

К преимуществам газогенераторного процесса по сравнению с прямым сжиганием твердого топлива можно отнести получение в одном агрегате удобного для дальнейшего использования топливного генераторного газа из различных видов твердых углеродсодержащих топлив (отходы древесины, технических изделий, включая отработанные автомобильные покрышки, твердых бытовых и производственных отходов, отходов с/х продукции, пластика и т.д.) с широким фракционным составом – от 1мм. до 1м.

 

Солнечные коллекторы

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:

· широты,

· местного климата,

· сезона года,

· угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года.

Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности.

Россия расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются. По российским оценкам, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт-час/м² в год, тогда как в южных районах она превышает 1400 кВт-час/м² в год. Уровни солнечной радиации демонстрируют также большие сезонные колебания. Например, на широте 55 градусов солнечная радиация составляет в январе 1,69 кВт-час/м² в день, а в Июле – 11,41 кВт-час/м² в день.

Рис. 2.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной энергии по территории России.

Солнечный водонагрев и солнечное отопление – это новые технологии в области отопления и горячего водоснабжения, при этом не требуется никакого топлива. Основные компоненты системы – солнечные коллекторы, резервуары-теплообменники, аппаратура управления системой. В комплексе, солнечное оборудование может интегрироваться в уже действующую систему отопления и горячего водоснабжения, не зависимо от источника тепла.

Область применения солнечных коллекторов:

- индивидуальные солнечные водонагревательные установки для горячего водоснабжения и отопления,

- солнечные водонагревательные системы горячего водоснабжения бытового, коммунального, производственного и сельскохозяйственного назначения.

Оборудование солнечного водонагревания применяется как в домашнем, так и индустриальном снабжении теплом и горячей водой. В области индивидуального жилищного строительства такая система идеально подходит для загородного дома, дачи, коттеджа. В индустриальной области система может использоваться в гостиницах, предприятиях торговли и общественного питания, промышленных предприятиях, словом там, где тепло и ГВС используется в производственных процессах, бани, сауны и т.д.

На рисунке 2.5 представлена карта расчетной площади солнечных коллекторов в м².

Рис.2.5. Карта расчетной площади солнечных коллекторов, кв.м.

Стоимость солнечной установки водонагревания превышает традиционную систему отопления и горячего водоснабжения, но экономические преимущества системы очевидны, а при постоянном повышении стоимости энергоносителей, ощутимы уже с первого дня эксплуатации.

Системы отопления и горячего водоснабжения на солнечной энергии – это экономичные, комфортные и экологически чистые системы.

Самое главное преимущество использования солнечных систем – это существенная экономия средств.

Солнечные системы отопления и ГВС – это полная независимость от теплосетей, электросетей, инфляции и нестабильности в бизнесе.

В тепловых солнечных коллекторах, поглотитель преобразовывает солнечный свет в высокую температуру. Главный компонент солнечного коллектора – поглощающая поверхность, выполненная из меди и покрытая отборным селективным покрытием, обеспечивает высокое поглощение и низкую эмиссию солнечного света. С поглощающей поверхностью соединены медные трубки, по которым циркулирует специальная жидкость (пропиленгликоль). Высокая температура, образующаяся на поглощающей поверхности, передается в медные трубки, и специальная жидкость, проходя через всю площадь коллектора, нагревается и попадает в резервуар, где отдает тепло через теплообменник в бак-аккумулятор тепла. Для сохранения тепловой энергии коллекторы и трубопроводы хорошо изолированы. Солнечная энергия используется для преобразования ее в электроэнергию и в тепло.

Недостатки солнечных коллекторов:

· Имеет место существенная зависимость эффективности применения солнечных коллекторов от потока солнечной энергии на разных широтах и в разных климатических условиях.

· Солнечный коллектор не работает ночью, недостаточно эффективен в утренних и вечерних сумерках и при неблагоприятных погодных условиях.

· Затраты, связанные с производством солнечных коллекторов (себестоимость производства коллекторов), достаточно высоки.

Солнечные коллекторы подразделяются на плоские, вакуумные и солнечные коллекторы-концентраторы.

Плоские. Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент обычно выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов. Плоские коллекторы способны нагреть воду до 70—75°C. Чем больше падающей энергии передается теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Вакуумные. Возможно повышение температур плоских коллекторов до 80-120°C. Добиться этого можно за счет уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Солнечные коллекторы-концентраторы. Дальнейшее повышение температур (120-250°C)) возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем.

Система горячего водоснабжения с естественной циркуляцией.

Солнечная система горячего водоснабжения работает благодаря методу естественной теплопередачи. Солнечная энергия накапливается в коллекторе и нагревает передающую жидкость (антифриз), циркулирующую внутри коллектора. При росте температуры антифриза, благодаря конвекции, жидкость поднимается по коллектору и поступает в обменную рубашку в бак с питьевой водой. Таким образом, питьевая вода нагревается, охлаждая антифриз. Охлажденный антифриз вновь сливается в коллектор, замещая собой уже нагретый носитель, в свою очередь поднимающуюся в обменную рубашку бака.

 

 

Рис. 2.6. Система горячего водоснабжения с естественной циркуляцией.

Система горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией.

Горячее водоснабжение может обеспечиваться с помощью одноконтурных и двухконтурных систем.

 

 

Рис. 2.7. Система горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией.

 

1-Коллектор;

2-Бойлер;

3-Контрольная панель;

4-Насос;

5-Расширительный бачок;

6-Источник дополнительного подогрева

7-Выход горячей воды;

8-Вход холодной воды

В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора.

Преимущества:

· простота;

· возможность получить самый высокий КПД системы в целом.

Недостатки:

· высокие требования к качеству воды (желательно низкая жесткость и высокая степень очистки). На стенках каналов солнечного коллектора интенсивно оседают соли, каналы могут засориться намываемой грязью, это приводит к значительному ухудшению эффективности или даже к полному выходу из строя (если вовремя не прочистить каналы, что бывает очень затруднительно);

· повышенная коррозия, из-за воздуха, который растворен в воде;

· практически полная невозможность нормальной работы при минусовых

температурах (опасность разрыва труб);

· низкий эффективный срок эксплуатации (из практики – не более 3-5 лет).

В двухконтурных системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или подготовленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с помощью теплообменника (спиральная труба в баке – «змеевик», внешний теплообменный аппарат или «бак в баке»).

Преимущества:

· значительное увеличение надежности работы системы (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, т.к. нет выпадения солей и намывания грязи);

· возможность безопасной работы системы при минусовых температурах;

· солнечные коллекторы не требуют дополнительного обслуживания;

· более длительный гарантированный эффективный срок эксплуатации (10-50 лет).

Недостатки:

· незначительное снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника (порядка 2-5%);

· если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой);

· необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния каждые 6-7 лет с возможной заменой).

Системы с естественной (термосифонная) и принудительной циркуляцией теплоносителя.

Принцип работы систем с естественной циркуляцией теплоносителя (термосифонные системы): разогретый теплоноситель (обладая более низкой плотностью) устремляется в верхнюю часть коллектора, в результате чего возникает разность гидростатических давлений; если коллектор подключить к баку, который находится выше него, то возникнет самопроизвольная циркуляция теплоносителя, скорость которой зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике.

 

Рис. 2.8. Система с естественной циркуляцией теплоносителя.

В системах с принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга включается маломощный циркуляционный насос, который заставляет циркулировать теплоноситель. Его работой управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса, несравнимо мала с тепловой энергией, которая вырабатывается системой.

Рис. 2.9. Система с принудительной циркуляцией.

1– Коллектор;

2– Бак-аккумулятор (бак-бойлер);

3– Циркуляционный насос;

4– Контроллер (блок управления);

5– Датчики температуры

Система солнечного отопления дома.

На рис. показана система солнечного отопления дома. Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха, солнечного отопления жилых и производственных зданий.

 

 

Рис. 2.10. Система солнечного отопления дома.

1-Коллектор;

2-Расширительный бачок;

3-Бойлер;

4-Источник дополнительного подогрева;

5-6-7-Радиаторы;

8-Насос;

9-Вход холодной воды;

10-Выход горячей воды;

11-Контрольная панель.

Правила установки коллектора:

На месте коллекторы устанавливаются так, чтобы их поверхность была направлена на юг с допустимым отклонением на восток до 20^o, на запад – до 30^o. Превышение допустимых отклонений вызывает заметное снижение теплопроизводительности коллекторов. Угол наклона солнечного коллектора к горизонту является постоянным и выбирается в зависимости от условий работы системы. Для системы, работающей круглый год,угол наклона коллектора равен географической широте места установки, для работающей только в летний период – широте местности минус 15^o, и для работающей только в зимний период – широте местности плюс 15^o. Затенение коллектора в течение светового дня зданиями, растительностью или другими окружающими предметами приводит к снижению его производительности.

Правила монтажа:

При монтаже системы солнечного горячего водоснабжения движение теплоносителя в коллекторе должно происходить снизу вверх. В процессе монтажа и после него, до заполнения системы теплоносителем, необходимо затенить коллектор от солнечных лучей во избежание перегрева сухого коллектора до температуры, достигающей 190^oС. Затенение коллектора производится любым непрозрачным светоотражающим материалом (лучше всего – светлой тканью или блестящей металлизованой пленкой). Монтаж в один ряд без установки компенсаторов теплового расширения более 3-х коллекторов может привести к механическим повреждениям во время эксплуатации. В случае монтажа на горизонтальной плоскости во избежание взаимного затенения расстояние между рядами солнечных коллекторов следует принимать не менее 1,7 высоты ряда при круглогодичной работе системы и не менее 1,2 высоты ряда при летней работе.

Заправка солнечных коллекторов теплоносителем:

Заправка теплоносителя производится исключительно в холодный коллектор во избежание теплового удара. Теплоноситель должен поступать в коллекторы снизу, скорость заполнения должна быть минимальной для выхода воздушных пробок к воздушному клапану в верхней точке системы. В течение нескольких дней требуется проверять уровень заполнения системы теплоносителем, и при необходимости доливать его. Теплоноситель должен полностью заполнять коллекторы и выпускные трубопроводы системы. Системы с безнасосной циркуляцией надо заправлять так, чтобы при остывании теплоносителя контур не оказался «завоздушен» вследствие уменьшения его объёма.

Эксплуатация солнечных коллекторов:

После подключения коллектора к трубопроводам системы, заправки и проверки герметичности соединений, необходимо для уменьшения теплопотерь тщательно теплоизолировать все трубопроводы и фитинги, включая заглушенные и неиспользуемые патрубки коллектора, после чего выполнить наружное влагозащитное покрытие изоляции. При работе в составе систем теплоснабжения солнечные коллекторы не требуют постоянного наблюдения и регулярного обслуживания, кроме периодических внешних осмотров с целью контроля герметичности соединений (не менее одного раза за сезон) и периодической очистки светопоглощающих поверхностей, предотвращающей неизбежное при загрязнении падение эффективности.

Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%.

Начальное капиталовложение в систему горячего водоснабжения, как правило, выше, чем требуется для установки электро- или газового обогревателя, но с учетом суммы всех расходов общие затраты за весь срок службы солнечных водонагревателей обычно ниже, чем для традиционных систем обогрева. Срок окупаемости составляет обычно менее 10 лет. Ожидаемый срок службы солнечных обогревательных систем - 20-30 лет. Стоимость выработанного тепла с помощью солнечного коллектора значительно меньше тепла, полученного от использования традиционных источников энергии. Эксплуатационные издержки приближены к нулю.