2.3. Экономическая оценка целесообразности применения дизель - генераторов
Рассмотрим альтернативный вариант электроснабжения потребителей с использованием одного (или нескольких) дизель-генераторов.
Определяем сначала затраты на приобретение оборудования, установку и введение в эксплуатацию ДЭГ:
З∑ = d ·CДЭГ + ССТРОИТ +СПР +СПН, (2.20)
где: d - количество ДЭГ;
CДЭГ - стоимость ДЭГ;
СМР - стоимость монтажных работ;
СПР – стоимость проектных работ;
СПН – стоимость пусконаладочных работ.
Формулы для определения основных видов затрат[22]:
СМР = (0,25…0,3) · CДЭГ. , (2.21)
СПР= 0,1 ·ССТРОИТ. (2.22)
СПН = (0,03…0,05) · CВЭУ. (2.23)
Годовые затраты на оплату электроэнергии поставляемой учреждению сетевой компанией:
Сэ = PДЭГ ∙ h ∙365 ∙ Сээ , (2.24)
где Сээ - тариф на электроэнергию поставляемую учреждению сетевой компанией руб./кВт·ч;
h - среднее количество часов использования электроэнергии в день.
Ежегодные затраты на техническое обслуживание ДЭГ принимаются равными 10% от ежегодной ее стоимости[22]:
СГ = 0,1· CДЭГ. (2.25)
Затраты на топливо для ДЭГ определяются по формуле:
Стопл= Gт∙Цтопл ∙ h ∙ 365, (2.26)
где
Цтопл - цена топлива, руб./л;
Gт - расход топлива в ДЭГ.
Тогда годовая экономия денежных средств за счет использования ВЭУ будет определяться следующим образом:
 = Сэ - Стопл - СГ, (2.27)
СГ - годовые затраты, включающие зарплату обслуживающего персонала, и издержки, связанные с обеспечением эксплуатации оборудования с учетом амортизационных отчислений и инфляции[22].
Далее определяется срок окупаемости ДЭГ:
 (2.28)
После проведения ТЭО альтернативных вариантов ВЭУ и ДЭГ сравнивается их эффективность, первоначальные капитальные затраты, стоимость обслуживания и срок окупаемости. Выбирается наиболее эффективный вариант и принимается решение о разработке проекта ВИЭ.
3 МЕТОДИКА ТЭО ВАРИАНТОВ РАЗМЕЩЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ИХ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО КОЛИЧЕСТВА С УЧЕТОМ РАСПОЛОЖЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ
Солнечную энергию можно разделить на две категории: тепловую и световую. Фотоэлектрический солнечный элемент (далее - ФСЭ) использует технологию на основе полупроводника для преобразования солнечной энергии в электрический ток, который можно использовать сразу или накопить в аккумуляторе для последующего использования. Панели ФСЭ стали широко распространены благодаря их универсальности, они могут быть легко установлены на здания и конструкции. Они представляют собой экологически чистый возобновляемый источник энергии, который может стать дополнительным источником электричества и, таким образом, сократить потребление электричества от магистральных сетей. В не электрифицированных регионах, например, в отдаленных населенных пунктах, энергия ФСЭ может являться безотказным источником электричества. Недостатком панелей ФСЭ является их высокая стоимость и относительно низкий коэффициент преобразования энергии (не выше 13-15%).
Тепловая энергия может использоваться для пассивного нагрева зданий или для прямого нагрева воды для бытового использования.
Солнечные лучи, которые достигают поверхности Земли, подразделяют на два вида: прямые и рассеянные. Прямые солнечные лучи – это те, которые берут начало у поверхности Солнца и достигают поверхности Земли. Мощность прямого солнечного излучения зависит от чистоты (ясности) атмосферы, высоты Солнца над линией горизонта (зависит от географической широты и времени дня), а также от положения поверхности по отношению к Солнцу. Рассеянные солнечные лучи поступают из верхних слоев атмосферы и зависят от того, каким образом прямые солнечные лучи отражаются от Земли и окружающей среды. Благодаря повторяющемуся процессу отражения между поверхностью Земли и нижней стороной облаков мощность рассеянного солнечного излучения может достигать больших значений. Плотность солнечных лучей в космосе составляет примерно
1,4 кВт / м2. Из них около 30% отражается назад в космос, так и не достигнув Земли. На земной поверхности плотность солнечных лучей составляет около 1 кВт / м2. Ресурсы солнечной энергии велики, если не сказать неограниченны.
Помимо электрической энергии, вырабатываемой ФСЭ, гелиоэнергетика предлагает различные типы солнечных тепловых коллекторов. Существуют различные виды солнечных коллекторов, имеющих свои положительные и отрицательные стороны:
Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде (рисунок 3.1)
Рисунок 3.1 - Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде
В таком коллекторе вакуумные трубки соединены с накопительным баком. Из контура теплообменника вода течёт прямо в трубки, нагревается и возвращается обратно. Такие системы еще называют термосифонными. К преимуществам этих систем относится непосредственная передача тепла воде без участия других элементов. Термосифонные системы работают на принципе явления естественной конвекции, когда теплая вода стремится вверх. В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Когда вода в трубках коллектора нагревается, она становится легче и, естественно, поднимается в верхнюю часть бака. Более прохладная вода в баке течет вниз в трубки, таким образом, обеспечивается циркуляция во всей системе. В маленьких системах бак объединен с коллектором и не рассчитан на магистральное давление, поэтому термосифонные системы нужно использовать либо с подачей воды из вышерасположенной емкости, либо через уменьшающие давление редукторы. Такая система имеет минимальное гидравлическое сопротивление.
Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником (рисунок 3.2)
Рисунок 3.2 - Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником
Такой коллектор имеет все преимущества и особенности предыдущего типа коллекторов. Отличием является наличие встроенного в бак эффективного теплообменника, что позволяет подсоединить коллектор с баком к напорной сети водоснабжения. Одним из преимуществ также является возможность заполнения водонагревательного контура незамерзающей жидкостью, что позволяет использовать его и при небольших минусовых температурах (до минус 5-10 градусов). Другим преимуществом является то, что в коллекторе не откладываются соли жесткости и другие загрязнения, так как объем теплоносителя один и тот же, а расходуемая вода проходит только по внутреннему медному теплообменнику.
Вакуумный коллектор с термотрубками (рисунок 3.3)
Рисунок 3.3 - Вакуумный коллектор с термотрубками
Главным элементом солнечных коллекторов данной конструкции является термотрубка – закрытая медная труба с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Работа высокотехнологичных вакуумных трубок основана на простом принципе тепловой трубы, которая представляет собой полый медный стержень, запаянный с обоих концов, с расширением в верхней части. Внутри него находится нетоксичная жидкость (иноргатик). При нагревании жидкости до температуры кипения она закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть – наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-380°С. И там конденсируется, отдавая тепло. А конденсат стекает по стенкам трубки вниз, и процесс повторяется. Тепловая трубка вставляется в стеклянную трубу и фиксируется между двумя алюминиевыми ребрами. Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловой трубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубы максимальна. Такая модель ребер обеспечивает максимальную передачу тепла к медной тепловой трубке, а потом к теплоносителю в проточном теплообменнике. Внутренняя полость тепловой трубки – вакуумирована, поэтому эта жидкость испаряется даже при температуре около 30°С. При меньшей температуре трубка «запирается» и дополнительно сохраняет тепло. Тепло от головки термотрубки передается основанию коллектора - приемнику. Приемник солнечного коллектора, медный с полиуретановой изоляцией, закрыт нержавеющим корпусом или корпусом из алюминиевого сплава. Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника. Благодаря этому отопительный контур отделен от трубок. При повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую смесь из контура теплообменника.
Вакуумная труба состоит из двух стеклянных труб. Конструкция стеклянных вакуумных труб похожа на конструкцию термоса, одна трубка вставлена в другую с большим диаметром. Внешняя труба выполнена из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла. Внутренняя труба также сделана из прозрачного боросиликатного стекла, покрытого специальным селективным нанопокрытием, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание кондуктивных и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубами выкачан воздух и создан вакуум.
При производстве газопоглотитель подвергается воздействию высоких температур, вследствие чего нижний конец вакуумной трубы покрывается слоем чистого бария. Этот слой бария поглощает вещества, которые выделяются из трубы в процессе хранения и эксплуатации, поддерживая таким образом состояние вакуума. Слой бария также является четким визуальным индикатором состояния вакуума. Когда вакуум исчезает, серебристый бариевый слой становится белым. Это дает возможность легко определить, исправна ли труба, внутри которой закреплена медная тепловая трубка с алюминиевыми ребрами для передачи тепла (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 - Вакуумная труба
Основные требования к вакуумной трубе:
материал: боросиликатное стекло соответствует ISO3585: 1991;
коэффициент пропускания боросиликатного стекла: ≥ 0,92;
поглощаемая способность селективного абсорбирующего покрытия: а ≥ 0,94;
излучательная способность полусферы: ε ≥ 0,08;
стартовая температура: +30°С (при данной температуре тепловая трубка начинает работать);
время запуска в работу: не более 2-х минут при нормальном солнечном освещении;
морозостойкость: выдерживает -50°С;
термостойкость: нет повреждений после трех раз поочередного воздействия холодной воды до 25°С и горячей воды свыше 90°С;
сопротивление граду: выдерживает град Ø25 мм;
стандарт внешнего вида: цвет селективного абсорбирующего покрытия должен быть равномерным, покрытие не должно шелушиться или морщиться. Поддерживающие части внутри трубы должны быть правильно и прочно закреплены. Допустимое отклонение в диаметре трубы из боросиликатного стекла должно соответствовать ISO4803:1978;
выгиб трубы из боросиликатного стекла не должен превышать 0,3%;
поперечное сечение трубы из боросиликатного стекла, находящееся на 40-60 мм от её конца, должно быть круглым. Соотношение между самым коротким и самым длинным радиальными размерами стеклянной трубы не должно превышать 1,02.
Вакуумные трубки показывают превосходные результаты и в облачные дни, потому что трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, которые проходят через облака. Благодаря изоляционным свойствам вакуума воздействие ветра и низких температур на работу вакуумных труб незначительно.
Плоский солнечный коллектор (рисунок 3.5)
Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.
Рисунок 3.5 - Плоский солнечный коллектор
Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потер (Приложение 4).
Сведем в таблицу 3.1 положительные и отрицательные параметры вышеуказанных солнечных коллекторов.
Таблица 3.1 - Положительные и отрицательные параметры солнечных коллекторов
|
Сравнительная эффективность
апрель-октябрь,
в зависимости от
площади
|
Сравнительная
эффективность
ноябрь-март, в
зависимости от
площади
|
Проблема
размножения
бактерий
|
Сравни
тельная
цена
|
Ремонто-
пригод-
ность
|
Нагрев
Теплоноси-
теля до
температуры
|
Вакуумный коллектор с
прямой теплопередачей воде
|
90%
|
0%
|
есть
|
20%
|
70%
|
950C
|
Вакуумный коллектор с
прямой теплопередачей
воде и встроенным
теплообменником
|
95%
|
70 %
|
нет
|
65%
|
60%
|
950C
|
Вакуумный коллектор с
термотрубками
|
100%
|
100%
|
нет
|
100%
|
100%
|
2500C
|
Плоский солнечный
коллектор
|
60%
|
33%
|
есть
|
60%
|
30%
|
950C
|
Исходя из известных данных можно сделать вывод, что вакуумные коллекторы с прямой теплопередачей воде необходимо использовать сезонно (апрель-октябрь). Дальнейшее их использование невозможно за счет вероятности замерзания жидкости внутри трубок и дальнейшего повреждения прибора. Использование этих коллекторов наиболее выгодно в регионах, где нет отрицательных температур. В этом случае их установка окупается меньше чем за сезон. Поскольку данный вид коллектора работает исключительно без избыточного давления (не допускается избыточное давление в баке более 0,2 атмосфер), то подключение данного оборудование к магистральным трубопроводам возможно только с использованием понижающего редуктора или открытого бака с поплавковым механизмом. Поэтому, если на выходе необходим напор (например, для работы сантехнических приборов - кранов, санузла и т.п.), после солнечной водонагревательной установки нужно ставить гидроаккумулятор (насос с резиновым баком), рассчитанный на работу с горячей водой. Также к недостаткам можно отнести и возможность откладывания солей и других загрязнений на внутренней поверхности трубок при повышенной жёсткости или загрязненности воды. Это может привести к ухудшению поглощающих свойств вакуумных трубок.
Вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообменником – это более технологичный вариант предыдущего вида коллектора. За счет неизменности теплоносителя (можно залить незамерзающую жидкость, увеличивая диапазон эксплуатации до -5...-10°С) в вакуумных трубках он не подвержен риску загрязнения внутренних поверхностей. Кроме того, возможно подключение коллектора к трубам с магистральным давлением.
Плоский солнечный коллектор оптимален при необходимости использовать энергию солнца в период: апрель-октябрь. За счет относительной дешевизны он может быть оптимальным для нагрева воды и бассейна в этот период. В холодное время года, при минусовых температурах плоский солнечный коллектор не может служить источником тепла за счет больших потерь в окружающую среду. К недостаткам этого типа коллекторов относятся и достаточно небольшие температуры нагрева циркулирующей жидкости, что, кроме всего прочего, приводит к вероятности размножения болезнетворных бактерий, которой нет в системах с вакуумными коллекторами. В случае разбития герметизирующего стекла эффективность коллектора значительно уменьшается, так как тепло расходуется на обогрев окружающей среды, а также отсутствует парниковый эффект, позволяющий в достаточной степени нагревать теплоноситель. В большинстве случаев солнечные коллекторы устанавливаются на крыше, поэтому для монтажных организаций важна легкость доставки и монтажа. Плоские солнечные коллекторы представляют собой неразборной блок больших габаритов - все это затрудняет подъем оборудования для монтажа на высоту и дальнейшую работу с ними.
Вакуумный коллектор с термотрубками – самый технологичный на данный момент тип коллектора. Может эффективно работать при температуре до -50°С. В отличие от плоского коллектора, при механическом повреждении одной или нескольких вакуумных трубок, они легко заменяются без остановки и слива всей системы. Из-за формы трубок и более эффективного поглощения солнечной радиации с одного квадратного метра вакуумный коллектор собирает в 1,5 раза больше тепловой энергии. К недостаткам данного типа приборов можно отнести относительно большую цену. Но этот «минус» компенсируется большим количеством « плюсов».
Использование вышеописанных типов вакуумных коллекторов является выгодным. С одного квадратного метра солнечного коллектора в условиях средней полосы России для коммунально-бытовых нужд можно получать примерно 500 кВт•ч тепла в год. Ежегодная потребность одного человека в горячей воде требует 1500 кВт•ч тепла, а для отопления одного квадратного метра современного жилища - примерно 100 кВт•ч в год. Оборудование объекта гелиоприставкой означает появление на объекте дополнительного источника, способного поставлять в систему теплоснабжения от 30 до 70% необходимого тепла (рисунок 3.6). Если в зимний и летний периоды котёл и гелиоприставка поочерёдно принимают на себя основные сезонные функции, то в периоды межсезонья между ними устанавливается гибкое взаимодействие. Такое рациональное сочетание не только позволяет существенно разгрузить котёл, но и, что ещё особенно ценно - обеспечивает более мягкий режим его эксплуатации. Оба указанных обстоятельства способствуют созданию условий для увеличения срока службы и повышения надёжности работы оборудования.
Существуют несколько схем систем солнечных коллекторов для подогрева воды:
Одноконтурные - для использования сезонно или в местностях, где нет отрицательных температур в течение всего года. Вода должна быть не жесткой и чистой.
Двухконтурные - для круглогодичного использования, а также в местностях с жесткой и/или загрязненной механическими примесями водой.
Каждая из систем может иметь естественную и принудительную циркуляцию теплоносителя. Естественная (пассивная) циркуляция теплоносителя происходит без участия насосов и помп. Нагретая вода в контуре поднимается вверх, а холодная опускается вниз. В этом случае бак-аккумулятор должен размещаться выше коллектора. В случае искусственной (активной) циркуляции – движение теплоносителя обеспечивается насосной установкой. В системах с принудительной циркуляцией в коллекторный контур включается циркуляционный насос, что дает возможность устанавливать бак-аккумулятор в любой части здания. Направление движения теплоносителя должно совпадать с направлением естественной циркуляции в коллекторах. Включение и выключение насоса производится контроллером, представляющим собой дифференциальное управляющее реле, сравнивающего показания датчиков температуры, установленных на выходе из коллекторов и в баке. Насос включается, если температура в коллекторах выше температуры воды в баке. Существуют контроллеры, позволяющие менять скорость вращения и подачу насоса, поддерживая постоянную разность температур между коллекторами и баком. Стандартная схема теплоустановки на солнечных коллекторах приведена на рисунке 3.7.
Рисунок 3.6 - Выработка тепловой энергии гелиосистемой для ГВС и дежурного отопления.
Рисунок 3.7 - Схема горячего водоснабжения
|
