Статья: Технико-экономическая оценка использования систем солнечного теплоснабжения в Дагестане

Технико-экономическая оценка использования систем солнечного теплоснабжения в Дагестане

Дибиров М.Г. ст. науч. сотр. ИПГВЭ ОИВТ РАН

Амадзиева Н.А. с.н.с., к.э.н ИПГВЭ ОИВТ РАН

Дибирова М.М. н.с. ИПГВЭ ОИВТ РАН

Аннотация

Цель работы. Целью работы является оценка технико-экономической эффективности использования систем солнечного теплоснабжения жилых домов в республике Дагестан.

Результаты.

Получены результаты анализа радиационных условий районов Дагестана с точки зрения экономической эффективности применения солнечных тепловых установок. Приведены результаты численных исследований целесообразности использования солнечных тепловых установок для теплоснабжения индивидуальных жилых домов сельского типа в зависимости от их территориального (географического) расположения по республике.

Область применения результатов. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при дальнейших разработках солнечных теплоэнергетических установок, которые позволят решить энергетические, социально-экономические и экологические проблемы сельских районов Республики Дагестан.

Выводы. Технико-экономические расчеты показывают, что энергетическая и экономическая эффективность солнечных установок, используемых для отопления домов, значительно выше в горных районах Дагестана, чем в низменности. Солнечные тепловые установки, используемые в целях теплоснабжения жилых домов в Дагестане, имеют сроки окупаемости от 3,5 - 4,5 года в зависимости от стоимости традиционного топлива и климатической зоны.

Ключевые слова: солнечная инсоляция, солнечное теплоснабжение, экономико-экологическое обоснование, Республика Дагестан.

радиационный теплоснабжение тепловой солнечный

Введение

Республика Дагестан является одним из крупнейших субъектов Российской Федерации, расположенная в восточной части Северного Кавказа. Природные условия Республики разнообразны: от горных хребтов, высотой более 4 км до пологих низменностей, расположенных на отметке ниже уровня моря.

Общая площадь республики составляет 50,3 тыс. км2, а численность населения составляет более 2,1 млн чел [8]. Дагестан представляет аграрную республику с населением около 60% сельского населения.

Последние 20 лет показали тенденцию, что энергопотребление увеличилось в 2 раза: с 3,3 млрд кВт/ч в 2000 году до 6,6 млрд. кВт/ч в 2019году. Однако производство электроэнергии составило 4,1 млрд. кВт/ч, что является низким показателем, учитывая большие темпы роста населения и возрастающее потребление электроэнергии [13]. В республике складывается критическая ситуация эколого-энергетического аспекта. Потребление топливно-энергетических ресурсов в год на одного человека составляет всего 1,5 т условно взятого топлива.

Альтернативой в такой ситуации может быть использование возобновляемых источники энергии, в первую очередь - солнечных тепловых установок. Этому способствует и радиационные условия региона. Продолжительность солнечной инсоляции составляет примерно от 215 дней в году на территориях с преобладанием равнинного рельефа, и 315дней в году - на территориях горного рельефа. [5]. Использование солнечной энергии является экономически выгодным и экологическим способом энергообеспечения Дагестана, в особенности, труднодоступных участков в горной местности.

Основная часть

Эффективность солнечных установок (как тепловых, так и электрических), напрямую связана с поступлением солнечной энергии на приемную поверхность установок. Солнечные установки эффективно работают там, где наблюдается достаточно большое количество солнечных (ясных) дней. При оценке эффективности СТУ на первый план выходит степень соответствия годового графика производства тепла солнечной установкой с годовым графиком ее потребления. А годовой график теплопроизводительности СТУ напрямую и однозначно определяется графиком распределения солнечных дней по месяцам года [17,18].

Проанализируем влияние распределения солнечных дней по месяцам на годовую производительность солнечных тепловых установок на примере Дагестана. Для этого территорию Дагестана условно разделим на три климатические зоны: равнинная зона (на севере республики), приморская зона (морское побережье) и горная зона (центральный и южный Дагестан). На эти зоны распространены климатические данные с метеостанций Южно-Сухокумск, Махачкала и Гуниб соответственно. Сведения о количестве ясных и пасмурных дней в этих трех климатических зонах Дагестана приведены в таблице 1 [3]. Количество полуясных дней (т.е. дней с переменной облачностью) определяется как разность общего количества дней в месяце и количества солнечных и пасмурных дней. Долгосрочные наблюдения за солнечными водонагревательными установками с плоскими коллекторами, проведенные на полигоне ИПГ ВЭ РАН в Махачкале показали, что в полуясные дни производительность солнечной установки в два раза меньше, чем в безоблачные дни с ясным небом. Поэтому дальнейших расчетах два полуясных дня приравниваются к одному ясному дню [4 ].

В равнинной зоне республики наблюдается следующая картина годового распределения солнечных дней: наибольшее количество солнечных и полуясных дней приходится на летний период года (апрель-сентябрь), а наименьшее количество - на четыре зимних месяцев (ноябрь- февраль).

В приморской зоне наблюдается аналогичная картина: наибольшее количество солнечных и полуясных дней наблюдается в летние месяцы (апрель-сентябрь), а наименьшее количество - в зимние месяцы (ноябрь-март). В приморской зоне, в сравнении с равнинной зоной, количество солнечных дней в летний период примерно одинаково, но в зимний и весенний период года почти два раза меньше, чем в равнинной зоне.

В горной зоне годовое распределение солнечных дней имеет совершенно другой характер: наибольшее количество ясных дней наблюдается в зимний период года (ноябрь-февраль) и наименьшее - в летний период (июнь)

Выполнены расчеты тепловой производительности солнечной тепловой установки применительно к трем климатическим зонам Дагестана. Результаты расчетов приведены в таблице 2. Из таблицы видно, что производительность солнечных установок различается по климатическим зонам Дагестана. Наблюдается сильная зависимость годового графика производительности СТУ от распределения количества солнечных дней по месяцам. Наибольшая годовая (суммарная по месяцам) производительность СВУ наблюдается в горной зоне и составляет 1150квтч/год в Гунибе. Кроме этого, в горной зоне наблюдается иное годовое распределение месячных значений производительности СТУ: производительность СТУ в осенние и весенние месяцы выше, чем в летний период. Это объясняется тем, что количество солнечных дней в горах больше в зимний период года, чем в летний период. Несмотря даже на то, что производительность установки в солнечный день, например, в июне, почти в два раза больше, чем в декабре (за счет большей интенсивности солнечной радиации и продолжительности светового дня), месячная производительность СВУ в зимние месяцы в горной зоне выше, чем на равнине или побережье.

В равнинной и прибрежной зоне суммарная годовая производительность СТУ составляет 810квтч/год и 865квтч/год соответственно, что значительно меньше, чем в горной зоне. Кроме того, распределение месячных значений производительности СТУ сильно отличается от горной зоны: в зимний период года производительность СТУ значительно меньше, чем в летний период. В то же время на равнине и побережье производительность СТУ в летний период больше производительности СТУ в горной зоне.

В летний период года потребности дома на теплоснабжение минимальны и ограничены потребностью только на горячее водоснабжение. Поэтому в горной зоне относительно низкая тепловая производительность СТУ в летний период не сказывается на годовой эффективности СТУ и его коэффициенте замещения. Зато высокая производительность СТУ в зимний период соответствует высокой тепловой потребности дома. Поэтому годовое значение фактического вклада солнечных установок в теплоснабжение домов в горной зоне оказывается высокой.

Высокая производительность солнечных установок в летний период года на равнине и приморье оказывается излишней и не находит применения, так как приходится на период наименьшей потребности дома в тепле. Большая часть тепловой энергии, выработанной СТУ в летний период, не находит применения (если площадь коллекторов СТУ не рассчитана только на горячее водоснабжение), приводит к перегреву и закипанию коллекторов, теряется в виде теплопотерь в атмосферу.

Таблица 1. - Среднее число ясных и пасмурных дней по нижней облачности в различных зонах Дагестана по месяцам

Таблица2. - Производительность СВУ в н/п Южно-Сухокумск, Махачкала, Гуниб, квтч/м2

На основании изучения таблицы 2 уже можно предположить, что экономическая эффективность и целесообразность использования СТУ для теплоснабжения домов будет различаться в зависимости от территориального расположения объектов. Скорее всего, наиболее эффективными будут СТУ в горной зоне, где график производительности СТУ более приближен к графику потребления энергии на теплоснабжение дома. Производительность СТУ в равнинной и прибрежной зоне имеют низкие значения в зимний период (когда наблюдается наибольшая потребность дома в тепловой энергии) и сравнительно высокие значения в летний период, когда тепловая нагрузка дома наименьшая. Т.о. несоответствие графиков тепловой производительности СТУ и тепловой потребности дома приводит к низкой эффективности СТУ в равнинной и предгорной зонах.

Выполнены расчеты взаимозависимости сроков окупаемости солнечных тепловых установок от таких параметров, как годовая полезная производительность солнечной установки, капитальных затрат на них и стоимости замещаемой энергии. Количество полезно используемой энергии определяется сравнением производимой энергии с теплопотребностью дома. Величина годового полезно используемого тепла от солнечной установки варьируется от 850 и до 1200квтч/м2 год в различных климатических зонах Дагестана. Значения капитальных затрат на солнечные установки также находятся в пределах, от 5000руб за 1 кв. м. до 13000руб/кв. м. Тарифы на замещаемое тепло от традиционных источников - от 1 до 3,5 руб. за 1 квтч. Результаты расчетов приведены в таблице 3.