Теплоэнергетика, 2022, № 2, стр. 48-55

ПОТЕНЦИАЛ ВЕТРА РЕГИОНА

Потенциал ветра в прибрежных районах Европейского Севера России показан на рис. 1. На нем приведены значения средних скоростей ветра, полученные в процессе многолетних наблюдений на почти 80 метеостанциях Европейского Севера [4, 10]. Наибольший потенциал ветра характерен для прибрежных районов Баренцева моря. Он обусловлен соседством незамерзающего моря и холодной суши. Здесь среднегодовые скорости ветра на высоте 10 м составляют 7–8 м/с. В прибрежных районах сравнительно небольшого Белого моря, которое замерзает зимой, ветер слабее, его среднегодовые скорости едва достигают 5–6 м/с.

Климатической особенностью рассматриваемых районов является зимний максимум скоростей ветра. Об этом свидетельствуют результаты многолетних наблюдений, представленные в [11, 12]. На рис. 2 показан годовой ход ветра, зафиксированный на метеостанциях региона. Сезонная особенность режима ветра стала благоприятной предпосылкой для вовлечения рассматриваемого источника энергии в процесс обеспечения нужд отопления.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Энергии ветра свойственно значительное непостоянство во времени. С этим негативным фактором приходится активно бороться при использовании ветра для выработки электрической энергии, однако следует все-таки отметить, что этот фактор не является столь уж критичным. Объясняется это тем, что процессы нагревания и остывания теплоносителя инерционны. Поэтому краткие порывы ветра (в течение нескольких секунд) могут легко сглаживаться благодаря аккумулирующей способности теплоносителя, а более продолжительные колебания интенсивности ветра (десятки минут) могут быть выровнены аккумулирующей способностью отапливаемых зданий. Изменения интенсивности ветра в течение нескольких часов уже требуют подключения к работе резервных мощностей или аккумулирующих устройств.

Представляет интерес проследить, как в комбинированной системе теплоснабжения котельная и ветроэнергетическая установки взаимно дополняют друг друга, каким должно быть оптимальное соотношение их мощностей. Также представляется целесообразным определить эффективность внедрения в систему теплоснабжения аккумуляторов тепловой энергии, способных запасать периодически появляющиеся избытки энергии ветра и срабатывать их в периоды повышения нагрузки. Рассмотрению этих вопросов и посвящена настоящая статья.

ОПТИМАЛЬНОЕ СООТНОШЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ ВЭУ И КОТЕЛЬНОЙ

При использовании энергии ветра и внедрении ветроэнергетических установок в схему теплоснабжения всегда встает вопрос о том, какой должна быть оптимальная мощность ВЭУ при ее совместной работе с котельной. В работе [13] показано, что при теплоснабжении оптимальное соотношение β^т = N_ВЭУ/N_к (здесь N_ВЭУ, N_к – мощность ВЭУ и котельной), обеспечивающее минимум приведенных затрат, можно определить по выражению

где ${{{v}}_{{\text{p}}}},\,\,{{{\bar {v}}}_{{\text{г}}}}$ – расчетная и среднегодовая скорость ветра, м/с; ${{b}_{{{\text{ВЭУ}}}}}$ – норма амортизационных отчислений; E_н – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; $h_{{\text{к}}}^{{{\text{max}}}}$ – продолжительность использования максимальной мощности котельной, ч/год; з_т – стоимость топлива, руб/т у. т.; ${{{{\eta }}}_{{\text{к}}}}$ – КПД котельной установки; ${{{{\eta }}}_{{{\text{т}}{\text{.х}}}}}$ – коэффициент, учитывающий потери жидкого топлива при транспортировке и хранении; ${{k}_{{{\text{ВЭУ}}}}}$ – удельные капиталовложения в ВЭУ, руб/кВт.

Применительно к условиям прибрежных районов Европейского Севера России были проведены расчеты ${{\beta }}_{{{\text{опт}}}}^{{\text{т}}}$ при ${{{{{v}}_{{\text{p}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{v}}_{{\text{p}}}}} {{{{{\bar {v}}}}_{{\text{г}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\bar {v}}}}_{{\text{г}}}}}}$ = 1.5–1.6, $h_{{\text{к}}}^{{\max }}$ = 3000–3500 ч/год, ${{{\text{з}}}_{{\text{т}}}}$= 90 тыс. руб/т у. т., ${{b}_{{{\text{ВЭУ}}}}}$ = 0.07, E_н = = 0.12, ${{{{\eta }}}_{{\text{к}}}}$ = 0.7, ${{{{\eta }}}_{{{\text{т}}{\text{.х}}}}}$ = 0.95, ${{k}_{{{\text{ВЭУ}}}}}$ = 100 тыс. руб/кВт. При указанных данных себестоимость тепловой энергии, вырабатываемой в котельной мощностью 232 кВт, работающей без ВЭУ, составит 16.3 руб/(кВт ⋅ ч). Минимум приведенных затрат при использовании ВЭУ достигается при ${{\beta }}_{{{\text{опт}}}}^{{\text{т}}}$ = = 0.75–0.87.

Для расчета чистого дисконтированного дохода (ЧДД) при совместной работе котельной и ВЭУ ставку дисконтирования принимали равной 7%, инфляцию – 4%, ${{\beta }}_{{{\text{опт}}}}^{{\text{т}}}$ = 0.8. Результаты расчета показали, что при реализации тепла по тарифу 15.7, 13.8 или 12.0 руб/(кВт ⋅ ч) (что существенно ниже, чем при теплоснабжении только от котельной) сроки окупаемости капиталовложений в котельную и ВЭУ составят соответственно 4, 6 и 9 лет. При этом доход на каждый рубль инвестиций, вложенных в котельную и ВЭУ I₀, достигает максимума при ${{\beta }}_{{{\text{опт}}}}^{{\text{т}}}$ = 0.7–0.9 (рис. 3).

Потребности в тепловой энергии Q на отопление с учетом ветра вычисляли по формуле

где q – удельная тепловая характеристика здания, кВт/(м³ ∙ K); V – наружный объем здания, м³; Δt = = t_вн – t_н – перепад между внутренней (в помещении) и наружной температурами воздуха; k_в – поправочный коэффициент на скорость ветра.

Переменной величиной в выражении (2) является произведение k_в Δt. Оно определяет приведенный (с учетом ветра) температурный перепад Δt, который необходимо покрыть с помощью источников тепловой энергии (котельной + + ВЭУ). Хронологическое изменение показателя Δt за период февраль–март показано на рис. 4. Все расчеты и построения выполнены для N_ВЭУ = 0.8 N_к. На рис. 4 линия 1 представляет собой перепад между внутренней температурой t_в = +20°С и наружной t_н. Линия 2 показывает приведенный (с учетом ветра) перепад температур Δt, определяющий график тепловой нагрузки. Видно, что в отдельные периоды времени энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно и котельная дополняет покрытие графика нагрузки. Зато при сильном ветре имеют место периоды, когда благодаря работе ВЭУ не только полностью покрываются потребности в тепловой энергии, но и появляется избыток энергии.

Из рис. 4 видно, что ВЭУ при “хорошем” ветре может покрыть большую часть нагрузки. При сильном ветре могут образоваться значительные избытки энергии и возникнет вопрос о рациональном их использовании, недопущении холостого сброса энергии. Для этого целесообразно запасать избыточное тепло в аккумулирующих устройствах и затем расходовать в периоды со слабым ветром. Тепловые аккумуляторы могут представлять собой емкости, заполненные водой. Известны технические решения, предусматривающие применение аккумуляторов фазового перехода, в которых используется тепло плавления, например, кристаллогидратов солей. Благодаря такой “начинке” аккумуляторы оказываются более компактными.

Чтобы проследить, как аккумуляторы тепла могут способствовать более полному использованию энергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, были привлечены результаты наблюдений за скоростью ветра и температурой наружного воздуха на ветроэнергетическом полигоне Кольского научного центра РАН.

Перепад температур воздуха является главным климатическим фактором, определяющим объемы теплопотребления. Второй важный фактор – ветер, который увеличивает тепловые потери зданий. Этот фактор может быть учтен с помощью поправочного коэффициента k_в [14, 15], зависимость которого от скорости ветра показана на рис. 5.

При особо сильном ветре и не слишком низкой температуре наружного воздуха могут возникать значительные избытки энергии, частичный перегрев зданий и некоторый дискомфорт. В такие моменты ветроэнергетическая установка может быть даже выведена из работы. Но представляется целесообразным не допускать принудительной остановки ВЭУ и холостого сброса избытков энергии ветра, а направлять их в аккумулятор тепла для дальнейшего использования при ослаблении ветра.

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ С АККУМУЛИРОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Анализ режимов совместной работы котельной, ветроэнергетической установки и аккумулятора тепла на побережье Баренцева моря можно выполнить с помощью графиков отопительной нагрузки, энергии, поступающей от ВЭУ, и выработки котельной при средней наружной температуре воздуха ${{\bar {t}}_{{\text{н}}}}$ (рис. 6, а–г). Они охватывают самое холодное время года (с декабря по март). Максимальная тепловая нагрузка была отмечена 6–10 февраля.

В периоды слабого ветра или значительного понижения температуры наружного воздуха, когда с помощью ВЭУ не удается полностью покрыть график нагрузки, возникающий дефицит тепла можно покрывать за счет включенной котельной.

График работы аккумулятора тепла показан на рис. 6, д–з. Определение рациональной, наиболее выгодной емкости аккумулятора – отдельная оптимизационная задача. В данном случае в качестве примера емкость аккумулятора была принята равной двухсуточному потреблению тепла при максимальной нагрузке (Δt = 106°С, см. рис. 6, д–з). Котельная при включении работала не только для покрытия графика нагрузки, но еще и для создания полусуточного запаса тепла, достаточного для отопления с максимальной нагрузкой.

Из рис. 6, д–з следует, что аккумулятор по состоянию на начало декабря имел некоторую небольшую зарядку, достаточную для работы с максимальной нагрузкой чуть больше полусуток. В течение первых суток декабря ветер был достаточной силы и ВЭУ смогла полностью обеспечить отопительную нагрузку, определяемую произведением k_в Δt, а также создать небольшой избыток энергии, который был направлен в аккумулятор и увеличил его заряд. В последующие сутки при более высокой наружной температуре все повторилось, но с той лишь разницей, что избыток энергии от ВЭУ был больше и в аккумулятор было направлено больше энергии. В последующие трое суток ситуация в корне изменилась. Энергии от ВЭУ не хватало для покрытия графика нагрузки. Трехдневный дефицит энергии покрывался за счет аккумулятора, заряд аккумулятора стал уменьшаться. Далее в шестые и седьмые сутки декабря ветра было более чем достаточно, и заряд стал увеличиваться, а в последующие трое суток ветра не хватало и заряд стал снижаться. Через две недели аккумулятор разрядился полностью и в работу включилась котельная, которая обеспечила не только покрытие графика отопительной нагрузки, но и зарядку аккумулятора, достаточную для полусуточного покрытия максимальной нагрузки. Далее описанный порядок совместной работы ВЭУ, аккумулятора и котельной повторялся. Можно отметить, что в зимние месяцы полная зарядка аккумулятора наблюдалась лишь однажды (23–24 февраля). В остальные, более теплые месяцы отопительного периода это повторялось чаще.

Наличие теплового аккумулятора позволяет полнее и рациональнее использовать ветровую энергию. При этом время работы котельной значительно сокращается, увеличиваются объемы сэкономленного органического топлива. Для более полной оценки эффективности предлагаемого внедрения ВЭУ и аккумулятора тепла в схему теплоснабжения временной горизонт исследований был расширен путем привлечения данных о скорости ветра и температуре воздуха за целый год. Как показали результаты расчетов, представленные в таблице, благодаря внедрению аккумуляторов тепла доля участия ВЭУ в теплоснабжении (отношение количества тепла, полученного за счет применения ВЭУ и аккумулятора, ко всему объему потребленного тепла, в том числе от котельной) в холодное время года (октябрь – май) возрастает на 5–12%. В летние месяцы использование энергии ветра сокращается в силу его меньшей интенсивности и более высоких температур наружного воздуха. Но доля энергии ветра в месячном потреблении возрастает до 25–30%.

Из рис. 6 видно, что график отопительной нагрузки может в значительной мере покрываться за счет энергии ветра. Благодаря этому котельная реже включается в работу. Удалось помесячно проследить, насколько часто потребовалось включение котельной. Оказалось, что при отсутствии аккумулятора необходимость включения котельной возникает 13–20 раз в месяц и примерно 170 раз в год. При использовании аккумулятора тепла включение котельной требуется только 1–6 раз в месяц и около 20 раз в год, т.е. в 5–8 раз реже. Это позволяет существенно сократить расход топлива в котельной.

ВЫВОДЫ

1. Прибрежные районы западного сектора арктической зоны России характеризуются высоким потенциалом ветра, который может быть востребован при организации теплоснабжения потребителей Севера. Предпосылкой для этого является совпадение сезонных (зимних) максимумов интенсивности ветра и потребности в энергии со стороны потребителя.

2. Для более полного использования энергии ветра при совместной работе ВЭУ с котельной можно рекомендовать применение аккумуляторов тепла, позволяющих запасать избытки энергии в периоды сильного ветра и использовать их в дальнейшем при ослаблении ветра. Это открывает возможность нарастить масштабы вытеснения котельной из графика отопительной нагрузки дополнительно на 10–25%, увеличить экономию дорогого привозного топлива и снизить эксплуатационные расходы.