Дипломная работа: Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии туристической базы пансионата "Колос"

Щиток ШР1 запитывается от существующего ВРУ. Учет выполняется электронным счетчиком 'Меркурии 230'

Установленная мощность 22,8 кВт, расчетная мощность 18,53 кВт, напряжение сети 380/220 В.

Силовыми токоприемниками является сауна проводка осуществляется кабелем ВВГнг – LS проложенным в стене.

Электроосвещение выполнено люминесцентными лампами и лампами накаливания.

В проекте дома предусматривается устройство наружного контура заземления. Заземляющий контур состоит из двух вертикальных электродов, длиной по 3 м каждый, соединенных (сваркой) между собой круглой сталью. К третьей нулевой жиле кабеля подключены наружный контур заземления , металлические корпуса светильников , щитков, третьи защитные контакты штепсельных розеток.

1.3 Обоснование проекта

Организованный туризм имеет большое значение для развития Байкальского региона, особенно в силу объявления его особой рекреационной зоной. Перед республикой стоит задача создать комфортные условия для отдыхающих, а именно обеспечить устойчивое энергоснабжение. Но осуществлять это надо с учетом того, что оз. Байкал относится к участку мирового наследия, по этому использование для энергоснабжения традиционных источников энергии, несущих негативное воздействие на экологическую обстановку в регионе просто недопустимо. Единственным рациональным выходом из данной ситуации служит использование экологически чистых возобновляемых источников энергии – солнца и ветра. К тому же Байкальский регион является перспективным для использования установок на основе ВИЭ.

В дипломном проекте предложено внедрить в пансионате «Колос» фото-ветро установку, пассивную солнечную систему и гелиосистему, для автономного энергоснабжение гостевого дома.

Ни для кого не секрет, что цены на тепловую и электрическую энергию с каждым годом будут только повышаться, а ресурсов становиться все меньше, поэтому направление данной дипломной работы является перспективным и актуальным в сложившейся ситуации, а внедрение экологически чистых, энергоэффективных установок на основе ВИЭ позволит не только значительно снизить затраты на традиционное топливо и электроэнергию, но и получать экологически чистую энергию, сохраняя природу Байкальского региона.

2. Обзор экологически чистых энергопассивных домов

Солнечное теплоснабжение в жилищно-коммунальной и производственной сферах получило в мировой практике наибольшее распространение по сравнению с другими направлениями этого источника, является наиболее приемлемым по экономической эффективности и способно снизить энергопотребление в доме до 60% . В свое время в бывшем СССР было построено несколько десятков опытных индивидуальных жилых домов с различными системами солнечного теплоснабжения. Один из них был построен вблизи г. Ереван в 1981 г. / 18 /: с площадью застройки 89,4 м2, годовой потребностью 112 ГДж тепла, солнечной двухконтурной системой с углом наклона коллекторов 60°. Опытная эксплуатация дома в течение 5 лет показала, что доля покрытий годовых потребностей дома за счет солнечной энергии составила 50-60 %, или 2,8 т у.т. экономии тепла.

Представляет большой интерес опыт скандинавских стран в разработке "солнечных домов", а также стран северных широт от 50° до 60е с.ш. — Великобритании, Дании, Швеции, Германии, Канады.

Так, в Великобритании первый дом с использованием солнечной энергии и теплового насоса для отопления помещения был построен в 1956 г. Кэртисом . Затем было построено здание, получившее наиболее широкую известность в Европе — приставка к школе Св. Георгия в г. Валласей ,

На этом примере доказали, что пассивный сбор солнечной энергии на имеющей двойное остекление, ориентированной на юг, стене большой площади может обеспечить по меньшей мере 30% общей потребности в отоплении.

Из устройств с пассивным сбором солнечной энергии широко известна стена Тромба-Мишеля. Первый "солнечный" дом по проекту Ж. Мишеля и Ф. Тромба был построен в Шовенси-ле-Шанто в 1972 г. (49° 10' с.ш.), а с 1973 г. на Парижской ярмарке представлялись уже различные типы домов с солнечным отоплением.

В бывшей ФРГ первый солнечный дом был построен научно-исследовательской лабораторией Филиппе в 1975 г. в Аахене (50°30' с.ш.) и в этом же году был построен дом, обеспечиваемый солнечной энергией в Копенгагене, Дания (55°43' с.ш.) .

Солнечный дом в Южной Германии (Драмштат-Кранинхтейн) является одним из первых домов в Средней Европе, энергоснабжение которого обеспечивается только за счет солнечной энергии . Хотя интенсивность солнечной радиации в Германии составляет 1000 кВт/ ч/м2 в год, знаменитому Научно-исследовательскому институту Солнечной энергетики им. Фраунгофера удалось реализовать идею создания самодостаточного солнечного дома площадью 145 м2 за счет: современной прозрачной изоляции, энергоэффективных солнечных коллекторов и батарей, повторного использования и сезонного аккумулирования тепла и энергосберегающей бытовой техники. Сезонное хранение энергии обеспечивается за счет запаса сжатого водорода и кислорода, получаемых электролизом воды. Электрообеспечение дома и электролиз воды осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Таким образом, удалось снизить потребление тепла в год на отопление на 1 м2 до 9,3 кВт*ч, тогда как в жилых домах Германии расходуется 250 кВт*ч/'м2.

Современные проекты энергоэффективных жилых домов с использованием солнечной энергии для условий Сибири приведены в /9/ , и по мнению специалистов, даже в условиях северных регионов за счет возведения двойной оболочки здания с использованием солнечной энергии можно обеспечить до 40% экономии тепла.

Учитывая развитие технологий возобновляемой энергетики, с должной долей уверенности можно сказать о реальной возможности создания эффективной системы энергоснабжения удаленных от центральной энергосети сельских домов при условии комбинированного использования энергии солнца, ветра и биомассы, говорится в /18/ и здесь же предлагается рациональная схема энергоснабжения автономного сельского жилища.

Специалисты Швеции, приступив к массовому внедрению систем теплоснабжения с использованием солнечной энергии, пришли к выводу о необходимости создания в северных широтах аккумуляторов, способных накопить летом большое количество солнечного тепла и сохранить его на зимний холодный период. В связи с тем, что относительная стоимость теплоизоляции уменьшается при увеличении объема хранения, предлагается создание теплохранилищ на группу зданий или поселок, т.е. создание централизованного теплоснабжения с обслуживанием всей системы специалистами, что повышает надежность ее работы и эффективность.

В 1971 г. впервые в Канаде инженер-электрик Э. Хоффман оборудовал свой дом воздушной системой отопления с солнечными коллекторами, эта система обеспечила 50% нагрев воздуха для отопления и потребности в горячей воде. Затем интересные архитектурно-конструктивные решения применил инженер Грет Аллен в 1974 г. в штате Онтарио. Дом рассчитан па 50% обеспечения энергией за счет солнца, тепло, вырабатываемое 18 м2 СК, сохраняется в резервуарах с двумя тоннами парафина. В последующие годы было осуществлено строительство нескольких здании с утилизацией солнечной энергии (при финансовой поддержке Правительства Канады) - административные, торговые и жилые здания, причем основным направлением, как и в Швеции, является: пассивная утилизация солнечного тепла и строительство домов с малым потреблением энергии, создание специального оборудования для северных тепловых гелиосистем централизованного теплоснабжения зданий и поселков с аккумуляторами летнего солнечного тепла.

В то время как в России многие специалисты до сих пор воспринимают пассивные дома как фантастику, в США уже много лет проводится очный общенациональный студенческий конкурсу по проектированию и строительству энергопассивных домов.

Требования конкурса: мини-дома должны быть полностью автономными энергетически, причём — в любое время года. Это так называемые "дома нулевой энергии". В их конструкции необходимо по максимуму использовать экологически чистые, легко утилизируемые материалы из возобновимого сырья.

Дома должны генерировать достаточную мощность от Солнца, чтобы в них можно было спокойно включать стиральные и посудомоечные машины, компьютеры и телевизоры, и, разумеется, чтобы обеспечивать дом теплом, светом и вентиляцией.

В конкурсе 2005 года приняло участие 18 команд, построенные дома свозили в "Солнечную деревню", расположенную в Вашингтоне.

Дома оценивались по 10 дисциплинам: удобство для проживания, интерьер; проектная документация; коммуникации; климатический комфорт; приборы, оснащение; горячая вода; освещение; общий баланс энергии; и энергоэкспорт.

Анализируя вышеизложенное можно сказать, что Россия, имея огромный потенциал солнечной энергии, значительно отстает от ведущих стран запада в плане внедрения экологически чистых энергопассивных домов, финансирования и реализации проектов в данной области.

3. Анализ возобновляемых источников энергии

3.1 Солнечное излучение

После энергетического кризиса 1973 г. правительствами стран и частными компаниями были приняты экстренные меры по поиску новых видов энергетических ресурсов для получения электроэнергии. Таким источником в первую очередь стала солнечная энергия. Были разработаны параболо-цилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе концентраторов. Интересно, что в 1973 г. вскоре после начала нефтяного эмбарго был сконструирован плоский концентратор, явившийся успехом научной и инженерной мысли.

Это привело к созданию первых солнечных электростанций (СЭС) башенного типа. Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и параболо-цилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с уменьшенной стоимостью - системы модульного типа. Началось внедрение этих систем в Калифорнии фирмой Луз (Израиль). Были подписаны контракты с фирмой Эдисон на строительство в южной Калифорнии серии СЭС. В качестве теплоносителя использовалась вода, а полученный пар подавался к турбинам.

Первая СЭС, построенная в 1984 г., имела КПД 14,5%, а себестоимость производимой электроэнергии 29 центов/(кВт-ч). В 1994 г. фирма Луз реорганизована в компанию Солел, базирующуюся в Израиле, и продолжает успешно работать над созданием СЭС, ведет строительство СЭС мощностью 200 МВт/18/, а также разрабатывает новые системы аккумулирования энергии. В период между 1984 и 1990 г. фирмой Луз было построено девять СЭС общей мощностью 354 МВт. Последние СЭС, построенные фирмой Луз, производят электроэнергию по 13 центов/(кВт-ч) с перспективой снижения до 10 центов/(кВт*ч). Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, использовав слежение за Солнцем по двум осям и применив вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25--30%. Стоимость получаемой электроэнергии составит 6 центов/(кВт-ч). Строительство первой экспериментальной установки с таким концентратором начато в 1994 г. а Австралийском национальном университете, мощность установки 2 МВт. Считают, что подобная система будет создана в США после 2000 г. и она позволит снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях строительство СЭС станет экономичным и конкурентоспособным по сравнению с ТЭС.

Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора. КПД таких установок может достигать 29%. Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.

В перспективе можно использовать для получения электроэнергии разность температуры слоев воды в океане, которая может достигать 20°С. Станции на этой основе (ОТЭС) находятся в разработке. Первый вариант подобной установки мощностью 5 МВт проектируется в Израиле. Меньшие по мощности установки действуют в Австралии, Калифорнии и ряде других стран. Основная сложность перспективы их использования - низкая экономичность и как следствие отсутствие коммерческого интереса.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран израсходовали биллион долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и достигла 3,5-4,75 дол/Вт, а стоимость получаемой энергии 25-40 центов/(кВт/ч). Мировой объем производства с 6,5 МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60 МВт./р.и./

В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4 МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для бытовых целей.

Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на электрификацию 60тыс. домов с помощью фотосистем. Стоимость установки мощностью 50Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол.

В будущем стоимость ycтaновки для малых систем будет снижаться, например установки с люминесцентными лампами. В Кении в течение последних лет 20 тыс. домов электрифицировано с помощью фотосистем по сравнению с 17 тыс. домами, где за это же время введено централизованное электроснабжение. В Зимбабве за счет кредита в 7 млн. дол, выделенного в 1992 г., электрифицировано 20 тыс. домов в течение 5 лет. Мировым банком выделен кредит в 55 млн. дол. для электрификации 100 тыс. домов в Индии фотосистемами. В США стоимость 1 км распределительных электросетей составляет 13-33 тыс. дол. Контракт на установку мощностью 500 МВт, включающую электроснабжение дома, освещение, радио, телевидение и компьютер, составляет не менее 15 тыс. дол. (включая аккумуляторную батарею). Уже имеется 50 тыс. таких установок в городах и ежегодно строится около 8 тыс. установок. Среди индустриальных стран кроме США также лидируют в использовании фотосистем в домах Испания и Швейцария.

Если даже ежегодно в мире будет снабжаться фотосистемами 4 млн. домов (1% тех, что электрифицируются ежегодно), то общая установленная мощность фотосистем составит всего 200 МВт, что в 4 раза меньше мирового производства их в 1993 г. Если производство фотосистем достигнет ежегодно 1% общей продажи энергии в мире, то их производство по сравнению с современным уровнем должно возрасти десятикратно, а увеличение до 10% этой продажи приведет к стократному росту производства фотосистем.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3-5 раз прежде, чем появятся крупные энергосистемы.

Половина продажи кремния приходится на монокристаллы, поликристаллическая модификация также имеет большое будущее. Большое будущее будут иметь тонкопленочные системы, в частности на основе аморфного кремния. Некоторые образцы фотоэлектро-преобразователей на основе аморфного кремния имеют КПД 10%, удельную стоимость 1 дол/Вт, стоимость получаемой электроэнергии 10-12 центов/(кВт/ч) - это ниже, чем была ее стоимость в 1993 г. Имеется перспектива снижения стоимости до 4 центов/(кВт /ч) к 2020 г.

Итак, фотоэнергетика может стать ведущим источником энергии мировой большой индустрии. Это подтверждают сделанные в 1994 г. разработки, считают эксперты. В результате создания новых технологий и повышения технического уровня продукции может быть преодолен барьер для внедрения фотоэлектрических систем, связанный с высокой их стоимостью. Так, по инициативе корпорации Енрон ведется разработка фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт для строительства в Неваде, на которой стоимость вырабатываемой электроэнергии составит 5,5 цента/(кВт/ч).

3.1.1 Определение основных параметров солнечной энергетики

Одним из перспективных ВИЭ является солнечное излучение. Так, полная средняя мощность солнечного излучения на Землю составляет 1,2×1017 Вт, т.е. на одного человека приходится около 30 МВт /16/.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере), зависит также и от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный характер.

Суммарная солнечная радиация ЭУ Включает в себя излучение, падающее на горизонтальную земную поверхность, двух видов: прямое и диффузное /9 /.

 (3.1.)

где Эпр - прямое солнечное излучение, представляет собой поток излучения, поступающего от солнечного диска и измеряемого в плоскости, перпендикулярной солнечным лучом;

Эр -диффузное излучение поступает на Землю от остальной части небесной полусферы, претерпевая рассеяние при прохождении через атмосферу;

 - высота Солнца - угол в вертикальной плоскости (угол подъема над горизонтом).

Знать высоту солнца очень важно. При большой высоте Солнца увеличивается число световых часов, во время которых можно аккумулировать солнечную энергию.

Для известных значений месячного прихода суммарной солнечной радиации  на горизонтальную площадь S валовый потенциал солнечной радиации (СР) можно рассчитать по формуле:

 (3.2.)

Количество солнечной радиации в различных местностях Западной и Восточной Сибири сильно зависит от их географических характеристик, климата (и даже микроклимата) и трудно прогнозируемых факторов. Анализ многолетних данных поступления солнечной радиации Эпр на территорию Сибири показал, что потенциал гелиоресурсов достаточно высок и не уступает южным регионам (табл.3.1.).

Таблица 3.1. Потенциал гелиоресурсов для различных климатов/9/

Важной характеристикой радиационного режима является продолжительность солнечного сияния, которая к примеру за год для г. Улан-Удэ составляет 2472 ч, в г. Чита- 2353 ч, в г. Новосибирске- 2077ч.

В зависимости от сезонных особенностей суточного хода облачности в том или ином районе региона периоды с непрерывной продолжительностью солнечного сияния могут относится к разным частям дня. Последнее обстоятельство имеет важное значение для оценки поступающей солнечной радиации к приемным поверхностям, поскольку наибольшая интенсивность ее наблюдается в околополуденные часы. Поэтому существенно, чтобы именно на это время приходилась максимальная повторяемость солнечного сияния.

Таблица 3.2 Продолжительность эффективной работы гелиоустановок (час) по данным непрерывного солнечного сияния станций Республики Бурятия /9/

Важнейшую роль в эффективной работе гелиоустановки, играет так же оптимальная ориентация приемника солнечной энергии, которое определяется тремя основными углами- широтой местоположения приемника  , часовым углом w, склонением Солнца (рис. 3.1.)

Рис. 3.1 Схема кажущегося движения Солнца по небосводу

Широта  - это угол между линией, соединяющей точку А с центром Земли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол - это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол w=0 в солнечный полдень; в 1 ч. соответствует 15°. Склонение солнца  - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение солнца в течение года непрерывно изменяется: от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Согласно рис.3.1. наибольшая плотность мощности космического солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной плотности мощности солнечного излучения углы должны меняться соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Однако, как показали многочисленные работы при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи, для маломощных солнечных установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники (коллекторы).

В табл. 3.3. представлена зависимость месячного прихода солнечной радиации на наклонную поверхность от угла наклона СК.

Таблица 3.3 Месячный приход СР в МДж/м2 на наклонную площадку с ориентацией на юг в ясные дни для углов  = 20° , 40° , 50° . 60° , 70° , 90° /9/.

3.2 Энергия ветра

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8