Технические науки / Энергетика

К.т.н. Минин В.А.

Кольский научный центр РАН, Россия

Перспективы участия ветроэнергетических установок в покрытии графика отопительной нагрузки прибрежных потребителей Севера

В районах европейского Севера России, располагающих повышенным потенциалом ветра существует ряд предпосылок, благоприятствующих использованию ветровой энергии на нужды теплоснабжения. В первую очередь следует отметить продолжительный отопительный период (около 9-10 месяцев), а также совпадение зимнего максимума интенсивности ветра с максимумом потребности в тепловой энергии со стороны потребителей. Кроме того, применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) позволит превратить ветер из отрицательного климатического фактора в полноценный источник тепловой энергии, способствующий экономии дорогостоящего топлива. Наконец, при использовании энергии ветра для отопления не обязательны высокие требования к качеству энергии, вырабатываемой ВЭУ, не критичным становится основной недостаток ветровой энергии - непостоянство во времени, так как колебания мощности ВЭУ сглаживаются за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения и отапливаемых зданий.

Теплопотери здания (или группы зданий) без учета влияния ветра определяются выражением:

,

(1)

где - удельная тепловая характеристика здания, кВт/(м³·град); - наружный объем здания, м³; - внутренняя и наружная температура воздуха, ⁰С.

Увеличение теплопотерь от ветра может учитываться с помощью коэффициента или приведенной наружной температуры [1,2]:

.

(2)

Зависимость коэффициента от скорости ветра представлена на рис. 1.

Рис. 1. Относительное увеличение теплопотерь здания от скорости ветра

В северных районах ветер является вторым после наружной температуры воздуха климатическим фактором, определяющим масштабы теплопотребления. На рис. 2а приведена карта распределения среднегодовых температур по территории европейского Севера России. По нанесенным на карту изотермам видно, что среднегодовая температура воздуха изменяется от +2⁰С в южных районах Карелии до минус 5-7 ⁰С на крайнем северо-востоке региона. Ветер значительно деформирует рассмотренную картину. И, как видно из рис. 2б, в отдельных наиболее ветреных районах, например, на побережье температура воздуха (⁰С) в районах европейского Севера России

Баренцева моря, его воздействие эквивалентно снижению среднегодовой температуры воздуха на 5-8⁰. Поэтому учет влияния ветра на режимы отопления и оценка возможного участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки потребителей Севера имеет существенное значение.

Располагая зависимостью, представленной на рис. 1, и привлекая данные о среднесуточных температурах наружного воздуха и скоростях ветра, для месячного и годового расходов тепловой энергии на отопление группы зданий можно записать:

, ,

(3)

где и - месячная и годовая длительность отопительного периода, суток; - средняя разность температур внутреннего и наружного воздуха в течение i - х суток с учетом поправки на ветер.

а)

б)

Рис. 2. Среднегодовая (а) и среднегодовая приведенная с учетом ветра (б) температура воздуха (ºС) в районах европейского Севера России

На основании зависимости (3) по результатам многолетних наблюдений были проанализированы графики сезонного изменения теплопотребления на северном побережье Кольского полуострова. Было установлено, что ветер существенно увеличивает теплопотребление. При этом была отмечена синхронность графиков годового хода ветра и потребности в тепловой энергии, что является благоприятным обстоятельством для использования ветровой энергии на отопление.

Если отопление производится только от котельной, то за год от нее подается количество тепла . В случае, когда наряду с котельной для отопления используется ВЭУ, часть графика отопительной нагрузки будет покрываться от неё, а остальная - от котельной (рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент хронологического хода участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки (ветрополигон КНЦ РАН, п. Дальние Зеленцы)

1 – график нагрузки, 2 – полезно используемая энергия ВЭУ,

3 – избыточная энергия ВЭУ, 4 – энергия, вырабатываемая котельной

Реальный график теплопотребления зависит в основном от хода изменения температур наружного воздуха и скорости ветра в течение всего отопительного периода. Учет этих зависимостей в практике расчетов годовых расходов энергии производят с помощью средней интегральной величины , под которой понимают число часов использования максимума тепловой нагрузки:

,

(4)

где - максимальная мощность тепловых потерь. В нашем случае будем иметь

.

(5)

Мощность ВЭУ пропорциональна скорости ветра в кубе. Ее максимальное значение определяется выражением:

,

(6)

где D – диаметр ветроколеса, м; - расчетная скорость ветра, м/с; - коэффициент использования энергии ветра; - общий КПД ветроустановки.

С учетом рабочего диапазона скоростей ветра от до выражение для текущей мощности N_ВЭУ можно записать в виде:

,

(7)

где

=

(8)

- расчетная скорость, определяющая .

При использовании ВЭУ для отопления можно ввести условную разность температур (рис. 3), определяемую из выражения

.

(9)

Величина представляет собой такую разность температур, которая определяет значение тепловых потерь рассматриваемого здания (или группы зданий), равное мощности ВЭУ:

,

(10)

где .

При сильном ветре и сравнительно небольших разностях температур не вся мощность ВЭУ может использоваться на отопление. Поэтому расчетная величина будет определяться как

(11)

Количество энергии , выработанной за отопительный период, превращенное в тепло и пошедшее на отопление, может быть определено на основании среднесуточных скоростей ветра в течение всего отопительного периода:

.

(12)

Доля участия ВЭУ в покрытии отопительной нагрузки за весь отопительный период составит

.

(13)

Наибольшее возможное участие ВЭУ в покрытии реального отопительного графика можно оценить с помощью средней интегральной величины , которая определяется как число часов использования максимума установленной мощности ВЭУ:

.

(14)

С использованием (13) получим связь между и :

(15)

Для определения и был обработан обширный материал наблюдений по ряду метеостанций европейского Севера, включающий синхронные записи скоростей ветра и наружной температуры воздуха. Расчетная приведенная (с учетом ветра) температура самой холодной пятидневки в отдельных пунктах достигала минус 53-57⁰ С.

Обработка большого массива данных позволила выявить зависимость суточной выработки энергии ВЭУ от среднесуточной скорости ветра (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость суточной выработки ВЭУ от среднесуточной скорости

Эта зависимость явилась основой для дальнейшей обработки обширной

информации и её систематизации для отдельных месяцев и в целом за год. Все вычисления производились сериями с изменением в пределах от 0 до 1. Анализ полученных данных показал, что несмотря на большое разнообразие климатических условий (по среднегодовой скорости ветра и температуре наружного воздуха) в рассматриваемых районах число часов довольно устойчиво и составляет в среднем 3500. В обобщенном виде результаты расчета и представлены на рис. 5.

а)

б)

Рис. 5. Зависимость доли участия ВЭУ в покрытии графика нагрузки (а) и числа часов (б) от и соотношения скоростей ветра

Рис. 6. Зависимость доли участия ВЭУ в покрытии графика тепловой нагрузки от среднемесячной скорости ветра и наружной температуры воздуха

- t_н = +15⁰С, - + 10⁰С, - +5⁰С, - 0⁰С, - -5⁰С, - -10⁰С, - -15⁰С

Исследования показали, что зависимость доли участия ВЭУ в покрытии графика тепловой нагрузки можно довольно точно аппроксимировать выражением:

.

(16)

Приведенная зависимость соответствует районам со среднегодовой температурой воздуха около 0⁰С. Доля возможного участия ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки существенно зависит от температуры наружного воздуха. Об этом свидетельствуют данные рис. 6. Рассмотрение большого количества результатов расчета позволили описать взаимосвязь параметра и температуры наружного воздуха одной эмпирической формулой:

(17)

где - параметр, учитывающий величину средней температуры наружного воздуха ( при = 0⁰С).

На рис. 6 приведены кривые, полученные в результате расчетов по формуле (17). Они наложены на месячные фактические данные и дают удовлетворительную сходимость с последними. На основании этого можно заключить, что полученное выражение вполне может быть использовано для ориентировочной оценки возможного участия ветроэнергетических установок в покрытии графика отопительной нагрузки.

Литература:

1. Мичурина К. И. Влияние ветра на тепловые потери жилых зданий и требования, предъявляемые к автоматизации режимов теплоснабжения / Автоматизация отопительных котельных и тепловых пунктов. Л.:, Недра, 1965. Вып. 4. -С. 136-147.

2. Минин В.А. Оценка перспектив использования энергии ветра для теплоснабжения потребителей Севера // Теплоэнергетика, № 11, 2009. – С. 34 - 40.