Сопряжение ветроэнергетической установки малой мощности с пленочным электронагревателем для обогрева помещений

Проблемы энергосбережения становятся все более насущными, тем более, что запасы традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь и др.) не безграничны и рано или поздно будут исчерпаны. Это относится как к районам с развитой инфраструктурой, так и к удаленным, малонаселенным районам. Там, где присутствуют энергетические компании, с развитием науки и техники энергопотребление растет за счет внедрения новых электроприборов, непрерывно предлагаемых промышленностью. Для удаленных неэлектрифицирован-ных районов проблемы энергоснабжения и энергосбережения стоят достаточно остро.

Особенно энергодефицит ощущается в странах с холодным или сезонно меняющимся климатом в связи с необходимостью обогрева жилых, офисных и производственных зданий. На территории России холодный период года длится в среднем 7-9 месяцев. При этом затраты на отопление могут составлять до 80 % от общих энергозатрат. Поэтому решение вопросов энергосбережения в системах отопления также является первоочередным.

Существенный эффект при решении данной проблемы может дать локальное сопряжение малых альтернативных возобновляемых источников энергии с энергосберегающими системами.

Одним из таких решений, приемлемых на территории Российской Федерации, может являться сопряжение ветроэнергетической установки (ВЭУ) мощностью 3 кВт производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс Челябинской области) и инфракрасного пленочного электронагревателя (ПЛЭН) производства ООО Завод «Рациональные отопительные системы» (г. Челябинск) [1,2].

Ранее система «ВЭУ-ПЛЭН» рассматривалась в виде двух обособленных независимых друг от друга блоков. Выход ВЭУ должен был представлять синусоидальное напряжение 220 В/50 Гц, вход ПЛЭН был также рассчитан на аналогичное напряжение. Однако такая система имеет очевидные потери. Из-за многократных преобразований (обмотки генератора-регулятор-инвертор-потребитель) потери энергии составляют почти 40% от энергии, вырабатываемой ВЭУ. Учитывая стоимость элементов преобразования, можно сделать вывод о нецелесообразности такой схемы.

В связи с этим учеными Южно-Уральского государственного университета, ООО «ГРЦ-Вертикаль» и ООО «Рациональные отопительные системы» были проведены совместные испытания по сопряжению обмоток генератора сверхмалой ветроэнергетической установки и инфракрасного пленочного нагревателя с практически полным исключением цепи преобразования электроэнергии (рис. 1).

ПЛЭН подключается к клеммам трехфазного генератора ВЭУ через простейший регулятор (рис. 2), позволяющий стабилизировать постоянное напряжение 48 В за счет параллельного включения в его цепь четырех последовательно соединенных аккумуляторов с напряжением 12 В. Напряжение генератора ВЭУ, являющегося переменным по фазе, частоте и амплитуде, меняется от О до 300 В, а на выходе регулятора поддерживается постоянное напряжение 48 В.

Площадь помещения, обогреваемого ПЛЭНом при исследованиях, составляла 50 м2 при высоте потолков не более 3 м.

Данная схема позволила обеспечить непрерывный обогрев помещений и спрогнозировать эффективность использования такой системы для широкого использования. При этом важно правильно подобрать параметры ВЭУ и ПЛЭН по их характеристикам.

Мощность ВЭУ должна выбираться из следующих соображений [1]: энергопотребление российской семьи из 3—4 человек составляет в среднем по России 2000 кВт ч в месяц. При электрическом отоплении затраты на обогрев помещения составляют около 50 %. Следовательно, при по стоянном обогреве среднему потребителю требуется источник энергии, имеющий мгновенную мощность 1,4 кВт. Такая мощность генерируется ветроэнергетической установкой ВЭУ-3 (номинал 3 кВт) на скорости ветра 8 м/с. Необходимо также учесть, что в теплое время потребителю отопление не требуется, в то время как в холодное время обогрев должен работать на максимальной мощности.

Данные о скорости ветра, представляемые метеостанциями России соответствуют высоте 10 м, на которой эти скорости в среднем составляют 4-5 м/с, Однако известно что с увеличением высоты на каждые 10 м, скорость ветра возрастает на 10%, т.е. на высоте 20 м она уже будет равна в среднем 5,5 м/с. С учетом оптимального выбора места размещения ВЭУ (горы, прибрежные области морей и озер, тундра и т.д.), скорость может увеличиться до 6-6,5 м/с и больше.

На скорости 6,5 м/с ВЭУ-3 выдает 1 кВт мгновенной мощности [1]. Эта цифра и была взята для расчетов работы системы «ВЭУ-ПЛЭН».

ПЛЭН (пленочный электронагреватель) представляет собой многослойное полимерное полотно, внутрь которого интегрирован резистивный нагревательный элемент и алюминиевый экран, выполняющий две основные функции - радиатора для энергопитание

Рис. 1. Питание инфракрасного пленочного нагревателя «РОСт» от ветроэнергетической установки ВЭУ-3

СМОНТИРОВАНО НА ВЭУ

ГЕНЕРАТОР

УСТАНОВЛЕНО В ПОМЕЩЕНИИ

АКБ

Рис. 2. Схема подключения ПЛЭН к ВЭУ-3 через регулятор

Альтернативныеисточники энергии выравнивания температуры на всех поверхности нагревателя и излучающего элемента [2]. ПЛЭН является лишь составной частью инфракрасной системы отопления, и применение его отдельно от других элементов (терморегуляторов и теплоотражающего теплоизолятора) нецелесообразно.

Работа системы состоит в следующем. При подаче электропитания на резистивный элемент, последний нагревается до температуры 40-50 °C. Алюминиевый экран позволяет распределить тепло равномерно по всей поверхности ПЛЭН. Потолочная поверхность помещения при этом должна быть закрыта элементами ПЛЭН на 65 %. Далее распределение тепла идет за счет лучистого теплообмена.

ПЛЭН рассчитывается исходя из параметров, приведенных в табл. 1.

Расчетные габаритные размеры ПЛЭН 0,35x0,5 (м2). Мощность потребления 24 Вт. Потребляемая мощность 42-х таких изделий будет не более 1 кВт. Площадь изделий 7,9 м2 позволяет отапливать Нм2 при покрытии 65% потолочной поверхности, что достаточно для зданий и помещений, соответствующих требованиям СНиП 23-02-2003. При применении контроллера, позволяющего производить последовательный нагрев помещений за счет поочередного прогрева, можно отапливать одновременно до четырех помещений площадью, не превышающей 11 м2. Однако это верно только тогда, когда общая мощность, выдаваемая ВЭУ-3, и соответственно, мощность, потребляемая ПЛЭНом, составляет 1 кВт. В данном случае не учитываются электрические и тепловые потери, т.к. они были учтены на этапе вычисления мощности ВЭУ и мощности ПЛЭН.

Данные расчеты приведены при так называемом среднесезонном энергопотреблении, максимальное значение которого составляет 20 Втч на квадратный метр отапливаемой площади. В наиболее холодное время года пиковое энергопотребление может достигать 40 Вт/м2, т.е. при площади помещения в 50 м2 пиковая нагрузка составит до 2 кВт. Таким образом, в такие периоды 1 кВт не достаточно.

Вместе с тем проведенные расчеты показывают, что данная система является работоспособной для отопления временных вагончиков вахтовых бригад, геологоразведочных партий, пограничных постов и других аналогичных объектов, отапливаемая площадь которых не превышает 2x11 м2, при наличии отсекающей стены с дверью между этими помещениями.

Рассмотрим вариант улучшения системы в плане привязки к обычным жилым помещениям.

Практика показывает, что средний метраж комнат не превышает 20 м2. Учитывая линейную зависимость эффективности отопления от потребляемой мощности, нетрудно вычислить, что при условии подачи 2 кВт в постоянном режиме можно обеспечить нормальную средне-сезонную работу системы «ВЭУ-ПЛЭН» для отопления двух помещений площадью 22 м2 каждое. Принимая во внимание, что пиковое потребление в холодное время года требует увеличения мощности почти вдвое, можно сформулировать следующие альтернативы:

• -    увеличение блока аккумуляторных батарей с целью покрытия пика мощности. Данное потребление может покрыть, например, батарея из 2 блоков аккумуляторов, подключенных параллельно и имеющих по 4 последовательно соединенных аккумулятора (в общей сложности 8 АКБ), емкостью не менее 90 А-ч. Это возможно при условии, что ветровая обстановка достаточна для своевременной зарядки установленных аккумуляторных батарей;

• -    увеличение количества установленных ветроэнергетических установок или иных возобновляемых источников энергии до мощности, требуемой для покрытия пиков потребления. Однако такое решение, во-первых, является чрезвычайно дорогостоящим, так как фактически половина мощности источников будет использоваться только несколько дней в году, а во-вторых, не решает проблему энергоснабжения при отсутствии ветра в течение хотя бы нескольких дней, что вполне вероятно и даже прогнозируемо;

• -    применение бензо- или дизель-генератора в автоматическом или ручном режиме. Данное решение является наиболее оптимальным, т.к. стоимость данного агрегата мала в сравнении со стоимостью системы «ВЭУ-ПЛЭН». Такой подход достаточно прост и может, кроме того, использоваться для целей резервирования при внезапном увеличении потребляемой мощности во время праздников, проведении сварочных работ, и т.п. Недостатком такого решения является периодическая доставка топлива.

В табл. 2 показано среднее энергопотребление на одного потребителя. Из таблицы видно, что максимальная пиковая нагрузка требуется лишь 31 день в году.

Согласно табл. 2, суммарное энергопотребление на отопление одного квадратного метра площади составляет 106 200 Вт ч (106,2 кВт ч). Среднесезонное потребление за 218 дней составит 106,2/218=0,0203 кВт ч.

Таблица 1

Техническая характеристика ПЛЭН

Ширина ПЛЭН	0,35	м
Длина ПЛЭН	0,5	м
Площадь ПЛЭН	0,175	м2
Мощность одного полотна	0,024	Вт
Количество ПЛЭН на один кВт	42,0	шт.
Площадь группы ПЛЭН мощностью 1 кВт	7,3	м2
Площадь, которую может отопить указанная группа ПЛЭН (65 %)	11,2	м2

Таблица 2

Среднее энергопотребление на одного потребителя за отопительный период

Начало периода	Конец периода	Кол-во дней в периоде	Энерго-потребление на 1 м2 в час, Втч	Суммарное энергопотребление за период на 1 м2, Вт ч
25.09.2008	01.10.2008	6,00	5	720,00
01.10.2008	15.10.2008	14,00	5	1 680,00
15.10.2008	31.10.2008	16,00	10	3 840,00
31.10.2008	15.11.2008	15,00	15	5 400,00
15.11.2008	30.11.2008	15,00	20	7 200,00
30.11.2008	15.12.2008	15,00	25	9 000,00
15.12.2008	31.12.2008	16,00	30	11 520,00
31.12.2008	15.01.2009	15,00	40	14 400,00
15.01.2009	31.01.2009	16,00	40	15 360,00
31.01.2009	15.02.2009	15,00	30	10 800,00
15.02.2009	28.02.2009	13,00	25	7 800,00
28.02.2009	15.03.2009	15,00	20	7 200,00
15.03.2009	31.03.2009	16,00	15	5 760,00
31.03.2009	15.04.2009	15,00	10	3 600,00
15.04.2009	01.05.2009	16,00	5	1 920,00
Итого:		218,00		106 200,00

Следовательно суммарное энергопотребление здания площадью 50 м2 составит 50x106,2 = =5310 кВт ч. При тарифе 1,2 руб. за кВт ч затраты составят 6372 руб. за отопительный сезон.

Таким образом, применение ВЭУ и ПЛЭН с оптимизированными параметрами позволит реализовать следующие достижения в области энергосбережения:

• -    снижение энергопотребления средней семьи на отопление на 30 % (с 1,4 кВт до 1,0 кВт средней потребляемой мощности или с учетом оптимизации и применения распределительного контроллера ПЛЭН с 10 000 кВт ч до 5310 кВт ч за отопительный сезон продолжительностью 5 месяцев);

• -    снижение загрязнения окружающей среды за счет использования ВЭУ и ПЛЭН;

• -    снижение тепловых потерь за счет использования ПЛЭН на 30-40 % по сравнению с традиционным (конвективным) электроотоплением;

• -    стоимость обслуживания ВЭУ минимальна, а система отопления ПЛЭН не требует дальнейшего обслуживания на протяжении всего срока эксплуа

тации (50 лет), что позволяет существенно сэкономить на эксплуатационных затратах.

Тем не менее, при использовании системы «ВЭУ-ПЛЭН» необходимо принимать во внимание, что стабильная совместная работа ВЭУ и ПЛЭН возможна при следующих условиях:

• а)    наличие в данном районе устойчивых ветров со скоростью более 6 м/с, что обеспечит стабильный дебет электроэнергии более 1 кВт в час;

• б)    наличие запасного источника электроэнергии в виде бензо- или дизель-генератора или центральной электрической сети, позволяющего компенсировать дефицит энергоснабжения.