Гибридная система энергоснабжения

Генерирование тепловой энергии для систем отопления, горячего водоснабжения и технологических процессов осуществляется с использованием солнечных коллекторов (плоских и вакуумных трубчатых), геотермальных систем, а также других преобразователей тепловой энергии. Сочетание различных возобновляемых источников энергии - это не только наличие таких элементов, как солнечные коллекторы, фотоэлектрические панели, ветровые турбины, тепловые насосы, но и использование единой системы управления для обеспечения эффективной работы этих элементов, что составляет основу более стабильной гибридной системы энергоснабжения.

Для эффективного использования гибридной системы энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии необходимо согласовать интенсивность поступления разных видов энергии с расходом потребителями на базе мониторинга текущей информации и менеджмента, осуществляемого единой системой, построенной на базе микроконтроллеров либо персональных компьютеров.

В данной статье рассмотрен опыт создания гибридных систем энергоснабжения объектов как результат международного сотрудничества польских и украинских исследователей в области использования возобновляемых источников энергии.

С польской стороны осуществлялась разработка гибридной системы горячего водоснабжения гостиничного комплекса. В разработке приняли участие сотрудники Варшавского университета естественных наук (SGGW) и Люблинского технологического университета.

Эта система введена в эксплуатацию в 1998 году. В данной гибридной системе используются электрическая энергия из внешней сети, солнечная энергия, геотермальная энергия и газовый котел. Гибридная система контролируется и полностью управляется контроллером типа PLC S7-300 фирмы Siemens (Германия) в соответствии с разработанными алгоритмами работы.
Гибридная система горячего водоснабжения состоит из нескольких независимых сегментов: плоских и вакуумных трубчатых коллекторов, парокомпрессионного теплового насоса с грунтовым первичным источником низкопотенциальной теплоты и теплового накопительного резервуара объемом 2 м3. Схема такой системы представлена на рис. 1. В состав гибридной системы также входят газовый котел и электрические водонагреватели, которые обеспечивают тепловой энергией гостиничный комплекс в случае недостатка энергии из возобновляемых источников.

Рис. 1.

Сегмент плоских солнечных коллекторов (рис. 2) состоит из 20 панелей общей воспринимающей поверхностью 40 м2 наземного расположения со стационарной ориентацией на юг. Он используется как основной источник тепла для горячей воды в накопительном баке емкостью 1 м3 и вспомогательного – 2 м3, который используется в качестве накопителя энергии от теплового насоса.

Рис. 2. Солнечные сегменты в гибридной системе.

Ввиду использования раствора гликоля в качестве теплоносителя в солнечной системе баки-аккумуляторы горячей воды отделены от солнечных коллекторов пластинчатыми теплообменниками.
Сегмент вакуумных трубчатых коллекторов на базе тепловых труб состоит из 60 труб общей абсорбционной поверхностью 6 м2. Эти коллекторы установлены на крыше вспомогательного корпуса, с углом наклона 40° и юго-западной ориентации (рис. 2.). Этот сегмент подсоединен к баку-аккумулятору объемом 0,3 м3 с двумя внутренними теплообменниками, последовательно соединенного с основным баком-аккумулятором объемом 1 м3. Один из теплообменников используется для поддержания температуры с использованием газового котла.

Стохастический характер солнечной радиации является причиной значительной вариации объемов производства тепловой энергии в коллекторах. Это изменение касается либо конкретных часов в дневное время или в определенные дни недели и сезона. Для стабилизации производства тепловой энергии используется парокомпрессионный тепловой насос геотермальной системы номинальной мощностью 12,5 кВт с вертикальным грунтовыми зондами.
Вертикальный грунтовой теплообменник выполнен с использованием полиэтиленовой трубы диаметром 40 мм, выполненной в виде двойной U-образной петли, установленной в 6 скважинах глубиной 30 м каждая. Общая длина трубопровода составляет 360 м в виде двух параллельных 180 м ветвей. Тепловой насос обеспечивает производство горячей воды с температурой на уровне 50 °С.

В качестве резервного источника тепловой энергии используется газовый котел, который покрывает недостаток тепловой энергии в случае превышения потребляемой мощности системы горячего водоснабжения суммарной мощности солнечных коллекторов и теплового насоса. На практике это наблюдается только в зимний период года.

Описанная гибридная система оснащена разветвленной измерительной системой, обеспечивающей мониторинг информации, который включает постоянную регистрацию показаний датчиков во всех узлах системы, где происходит преобразование, транспортирование и теплообмен, а также создание базы данных и знаний. Эта база используется для выполнения краткосрочных прогнозов работы системы. Они могут быть также использованы для разработки методов диагностики энергетической эффективности теплоэнергетических систем. Контроль и регулирование параметров гибридной системы осуществлялся дистанционно с использованием Интернета.

Солнечная интенсивность излучения измеряется с помощью двух пиранометров для измерений в обеих плоскостях коллекторов: один для плоских и один для трубчатых коллекторов. Эти пиранометры принадлежат II классу ISO, и их точность достаточна для эксплуатационных приложений.
В 2011 году система подверглась модернизации, в частности изменена система измерения и управления, установлены циркуляционные насосы сменных потоков и управляемые электромагнитные клапаны (рис. 3).

Рис. 3.

Применен единый контроллер, который обеспечивает контроль всей системы. Он получает информацию непосредственно от ведомых регуляторов и косвенно от измерительных датчиков, от текущего состояния внешних входов (например, солнечной радиации, температуры окружающей среды) и текущего расхода горячей воды (рис. 4). Он также проводит анализ данных и управляет электромагнитными клапанами. Алгоритм управления также может быть изменен дистанционно (через Интернет).

Рис. 4.

Кроме того, модернизированная система с целью визуализации и хранения данных использует программное обеспечение SCADA (WinCC), которое осуществляется в ОС Windows на персональном компьютере. Связь компьютера с контроллером осуществляется посредством CP5611 карты с протоколом Profibus.
На рис. 5 представлен основной экранный интерфейс обновленной системы.

Рис. 5.

Проведенная модернизация системы позволила осуществить динамическую идентификацию всех компонентов устройств, выработать правильные алгоритмы работы системы. Результаты моделирования позволяют выработать удобный алгоритм управления, обеспечивающий минимальные потери использования возобновляемых источников энергии.

В рамках двустороннего сотрудничества между университетами Польши и Украины, а также для получения сравнительной оценки эффективности гибридных систем в различных климатических условиях похожая установка была реализована в лаборатории возобновляемых источников энергии кафедры энергетики Львовского национального университета в 2005 году.

Установка включает: тепловую солнечную систему горячего водоснабжения, построенную на базе двух плоских коллекторов общей площадью 3,76 м2; тепловой насос мощностью 15 кВт грунтового типа с четырьмя горизонтальными коллекторами и двумя вертикальными зондами с глубиной скважины 50 м; ветроэнергетическую установку мощностью 5,7 кВт; фотоэлектрическую установку мощностью 100 Вт, построена на базе двух фотопанелей, одна из которых была установлена стационарно, а вторая – на поворотном устройстве со слежением за Солнцем.
Общий вид элементов гибридной системы, разработанной и смонтированной в Львовском НАУ, показан на рис. 6.

Рис. 6.

Для проведения мониторинга режимов работы системы, обработки и хранения информации было использовано аппаратное и программное обеспечение компании National Instruments, в частности блок ввода-вывода типа NI USB-6008 и программная среда LabVIEW.
Фрагмент рабочего окна фронтальной панели и программного кода (блок-схема) системы мониторинга работы теплового насоса показан на рис. 7.

Рис. 7.

Д. Войцицка-Мигасюк, А. Хоховский, С. Сиротюк