Разработка системы управления энергокомплексом на базе гелиоустановки

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Целью диссертационной работы Положения, выносимые на защиту Основное содержание работы В первой главе Во второй главе В третьей главе В четвёртой главе Основные выводы по результатам работы

Подобный материал:

• На базе DeltaV, компании Fisher-Rosemount, технология процесса, представлено экономическое, 11.14kb.
• Современные предприятия постепенно начинают понимать необходимость использования интегрированных, 22.91kb.
• Типовой план проекта «Разработка стратегии и внедрение системы стратегического управления», 117.19kb.
• Азе коммутаторов Cisco семейства Catalyst 6000, и приводится описание программного, 31.4kb.
• В. О. Чуканов московский инженерно-физический институт (государственный университет), 95.21kb.
• В. И. Скворцов московский инженерно-физический институт (государственный университет), 26.71kb.
• Моделирование системы управления стеклоочистителем на базе нечеткого контроллера, 16.79kb.
• С. А. Разработка автоматизированной системы управления поставками товара на предприятии, 34.59kb.
• Тема работы, 15.88kb.
• Удк 621. 311 Разработка и исследование эффективности алгоритма централизованной системы, 54.48kb.

На правах рукописи


Петренко Владимир Николаевич


РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОМ
НА БАЗЕ ГЕЛИОУСТАНОВКИ


Специальности:

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами

и производствами (промышленность)

05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика» Московского государственного университета инженерной экологии и на кафедре «Инженерная экология, общая и неорганическая химия» Сочинского государственного университета.

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Садилов Павел Васильевич
Научный консультант:	доктор технических наук, доцент Мокрова Наталия Владиславовна
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Николаевич; доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович
Ведущая организация:	Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород

Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, (ауд. В-23).


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.


Автореферат разослан « ___ » _______________ 2011 г.


Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., доцент Н.В. Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Расширенное строительство жилых домов и объектов инфраструктуры требуют подвода значительных электроэнергетических и тепловых мощностей при существующем их дефиците. Существующие недостатки в энергоснабжении, недостаток традиционных энергоресурсов и их постоянно растущая стоимость, а также негативное воздействие от их сжигания на окружающую среду, могут быть компенсированы за счёт внедрения и массового использования в условиях субтропического климата солнечных энергетических установок на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью уменьшения дефицита тепловой энергии, снижения экологического воздействия энергоустановок в городских условиях субтропического региона, повышения эффективности теплоснабжения жилых и промышленных объектов, а также уменьшения тепловых выбросов в окружающую среду.

Рядом отечественных авторов на протяжении последних десятилетий (Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Безруких П.П., Попель О.С. и другие) были разработаны промышленные конструкции установок, использующие лучистую энергию Солнца для нагрева воды, которые используются как в южных регионах России и зарубежья, так и в широтах Москвы. Это, как правило, единичные установки, работающие на локального потребителя и не рассчитанные на совместную работу с существующими сетями традиционного теплоснабжения. Одним их важных факторов, сдерживающих применение ВИЭ, является отсутствие отработанной системы автоматики, обеспечивающей их эффективное использование в сочетании с традиционными источниками энергии. Одному из возможных вариантов решения этого вопроса на основе использования гелиоустановок горячего водоснабжения посвящена настоящая работа.

Диссертация является результатом исследований автора, которые проводились в ходе работ по заказу Федерального агентства по образованию России в период 2003 – 2007 гг., в рамках реализации Федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие г. Сочи как горноклиматического курорта» (2006 – 2012 гг.).

Целью диссертационной работы является разработка системы управления теплоэнергокомплексом (ТЭК) на базе гелиоустановки, рассчитанным на совместную работу с существующими и проектируемыми сетями централизованного и местного теплоснабжения традиционного типа.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

• разработка и практическая реализация реверсивного режима работы автоматизированной гелиоустановки совместно с централизованной теплосетью населённого пункта, обеспечивающего повышение коэффициента ассимиляции солнечной энергии с уменьшением теплового загрязнения окружающей среды;
  
• построение системы управления ТЭК на базе гелиоустановки и разработка алгоритма её работы с учётом сезонных, суточных изменений параметров солнечного сияния и тепловых нагрузок, а также технологических особенностей существующих теплосетей;
  
• исследование экологических и технико-экономических факторов, влияющих на эффективность работы гелиоустановки в городских условиях;
  
• проведение расчётно-теоретических и экспериментальных исследований по моделированию компонентов технологических режимов управления гелиоустановкой;
  
• реализация двухуровневой системы управления ТЭК на базе гелиоустановки;
  
• методика экспериментальных исследований микропроцессорного управления реверсивным режимом теплообмена теплоэнергокомплекса с блоком компьютерной накопления и обработки статистической информации.
  

Методы исследования основаны на положениях теории моделирования и идентификации систем, статистическом анализе экспериментальных данных, положениях опытно-теоретического метода испытания систем автоматизации, общих закономерностях расчетов параметров и режимов энергетических комплексов на основе ВИЭ.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследования с использованием аналитических подходов и аналого-цифровых компьютеризованных систем измерений контролируемых параметров, корреляцией расчётных и экспериментальных данных.

Научная новизна состоит в структурном синтезе четырехконтурной системы управления гелиоустановкой и обеспечении её реверсивной работы в составе действующей системы городского водоснабжения, основными моментами реализации новизны являются:

• алгоритм совместной эксплуатации существующей системы теплоснабжения жилых и промышленных объектов, построенный на основе анализа особенностей теплового режима гелиоустановок;
  
• автоматизированный реверсный режим совместной работы ТЭК на базе гелиоустановки с сетями централизованного и местного теплоснабжения традиционного типа;
  
• четырёхконтурная схема управления передачей тепла, обеспечивающая повышение эффективности работы гелиоустановки совместно с теплосетью;
  
• экспериментальный теплоэнергокомплекс на базе гелиоустановки с блоком компьютерной обработки статистической информации, реализующий предложенный реверсивный режим теплообмена;
  
• методика экспериментальных исследований факторов, влияющих на технико-экономические параметры эксплуатации установки.
  

Практическая ценность исследования:

• синтезирован опытно-промышленный автоматизированный теплоэнергокомплекс горячего водоснабжения на базе гелиоустановки, сопряжённый с существующей городской теплосетью через теплообменник, схема подключения которого обеспечивает реверсивный режим работы;
  

• разработана и внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию система автоматического микропроцессорного управления с блоком компьютерной обработки информации, позволяющая выполнять комплекс научных исследований установок аналогичного типа;
  
• внедрена система управления, позволяющая снизить годовое потребление тепла от традиционных источников на 60 %, предотвратить вредные и тепловые выбросы в окружающую среду, повысить надёжность и безаварийность работы ТЭК в целом, а также энергоснабжения объекта управления;
  
• предложена схема реверсивного теплообмена, обеспечивающая повышение экономической эффективности работы солнечной коллекторной установки горячего водоснабжения (СКУ ГВС) за счёт снижения стоимости вырабатываемой тепловой энергии;
  
• исследовано влияние сезонных, суточных и погодных колебаний количества солнечной энергии и смога на эффективность работы систем управления гелиоустановкой.
  

Практическая ценность подтверждена внедрением разработанных системы управления и алгоритмов при проектировании и внедрении промышленного ТЭК горячего водоснабжения на базе гелиоустановки для учебных корпусов Сочинского государственного университета (СГУ); спортзала Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (БГТУ). Результаты работы могут быть использованы для проектирования и внедрения гелиотехнических энергетических систем. Основные результаты работы используются в учебном процессе СГУ и БГТУ им. В.Г. Шухова. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы управления технологическим процессором.

Положения, выносимые на защиту:

• четырехконтурная схема реверсивной параллельной работы системы горячего водоснабжения нового поколения с городской теплосетью в условиях субтропиков для диверсификации теплоснабжения;
  
• система автоматизированного управления ТЭК, позволяющая реализовать исследование установок аналогичного типа на базе статистической информации;
  
• теоретическое обоснование и алгоритм микропроцессорного управления технологическими процессами при реверсивной параллельной работе с теплосетью;
  
• результаты экспериментальных исследований гелиоустановки по оценке энергетической безопасности в условиях реверсивной работы с теплосетью;
  
• результаты инструментального исследования плотности годовой солнечной радиации с учётом реального широтного наклона плоских солнечных коллекторов (43 ^о) в ресурсе (зима, весна, лето, осень) в условиях субтропиков;
  
• способ измерения интегральной плотности экранирующего действия смога, влияющего на эффективность работы гелиоустановки в условиях городской среды.
  

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы докладывались на международном семинаре ЮНЕСКО в рамках работы BSTN «Культурное наследие, туризм и устойчивое развитие стран Черноморского бассейна» (Сочи, 2004), на Международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика – 2005», (Сочи, 2005); представлены и отмечены дипломом на выставке Всероссийского форума «Образовательная среда – 2005» (Москва, ВВЦ); обсуждены на 6-й Международной научно-практической конференции «Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития индустрии туризма» (Сочи, 2006); 4-й и 5-й Международных научно-практических конференциях «Строительство в прибрежных курортных регионах» (Сочи, 2006, 2008); 1-й Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Студенческие научные исследования в сфере туризма» (Сочи, 2007); заседании «Круглого стола» Всероссийского экономического форума «Кубань-2007»; Международных научно-практических конференциях «Устойчивое развитие городов и новации жилищно-коммунального комплекса» (Москва, 2007) и «Энергосбережение и внедрение ресурсосберегающих технологий» (Сочи, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и Всероссийских конференций, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Автором предложены четырехконтурная схема и алгоритм управления реверсивным режимом теплообмена гелиоустановки с теплосетью. Доля автора в публикациях определяется в 50 – 100 %.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, что составляет 117 страниц машинописного текста, а также приложения; содержит 58 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные защищаемые положения.

В первой главе диссертации приведен аналитический обзор воздействия традиционных видов энергии на окружающую среду и экологию региона. Отмечено, что реализация ФЦП в г. Сочи с учётом коммерческого строительства и требований МОК приведёт к увеличению электропотребления в 2,5 раза (с 400 МВт до 1043 МВт), теплоснабжения в 1,2 раза (с 1662 до 1976 тыс. Гкал/год). Покрытие этих нагрузок только за счёт сжигания органического топлива приведёт к значительному увеличению вредных выбросов в окружающую среду: сооружение только Адлерской и Кудепстинской ТЭС мощностью по 360 МВт увеличит выбросы от стационарных источников по окислам азота в 2 раза. В этих условиях использование ВИЭ совместно с традиционными источниками энергии содействует диверсификации энергоснабжения, повышению надёжности энергетических систем и их экологической чистоте. В первую очередь это касается использования солнечной энергии как наиболее доступной.

Анализ сравнительных характеристик типовых схемных решений СКУ позволил выделить их недостатки. Обзор современных коллекторных гелиоустановок и сравнительный анализ эксплуатационных характеристик показал их растущую экономическую и экологическую эффективность, особенно в условиях опережающего роста цен на природные топлива. Одним из выводов анализа явилось то, что солнечные энергетические системы являются примером "закона уменьшения прибыли": с увеличением площади общий КПД установки падает, т.к. значительное количество лучевоспринимающих элементов работает при повышенных температурах. Кроме того, большая площадь покрывает нагрузку, соответствующую более низкой температуре наружного воздуха, т.е. при увеличенных коэффициентах теплопотерь. Последний фактор, по мнению автора, является спорным, так как при этом увеличивается годовой коэффициент использования установки.

В работе получен вывод, что СКУ ГВС не должны быть рассчитаны на полную тепловую нагрузку, её максимум должен покрываться пиковым источником (например, газовый котел, электрокотел и т.п.). КПД СКУ снижается и при росте расчетной температуры подогрева воды выше 60 °С, поэтому догревать воду для условий отопления при низких температурах целесообразно в котельной. В южных широтах (южнее 50 ^о) с помощью установок на базе солнечных коллекторов ранее рекомендовалось покрывать только нагрузку систем горячего водоснабжения (Нормы ВСН 52-86). Однако для субтропиков с ростом стоимости энергоресурсов и усилением влияния экологического фактора это положение устаревает. Сегодня СКУ становятся конкурентоспособными и в системах отопления.

Практика применения данных установок в реальных городских условиях показала, что существует целый ряд проблем:

1. отсутствие согласования СКУ с централизованным теплоснабжением, что приводит к необходимости штатного сброса избыточной тепловой энергии в окружающую среду, приносящей экологический ущерб, снижающей экономические показатели установки и надёжность энергоснабжения;
   
2. необходимость доработки отдельных узлов СКУ для эффективной реализации совместной работы с сетями водоснабжения;
   
3. отсутствие алгоритмов управления совмещёнными системами теплоснабжения.
   

Анализ основных факторов влияющих на эффективность работы существующих сетей и СКУ приведённый в первой главе позволяет перейти разработке общих принципов совместного эффективного использования солнечной и традиционных источников энергии в системах теплоснабжения.

Во второй главе представлена общая методика теплового расчёта СКУ ГВ и определены теплоинерционные характеристики экспериментальной гелиоустановки горячего водоснабжения, разработан алгоритм совместной эксплуатации с существующей системой теплоснабжения жилых и промышленных объектов.

Основными входными величинами при разработке системы автоматического регулирования (САР) гелиоустановки является плотность солнечного излучения, которая изменяется по времени года, в течение суток, при наличии облачности и т.д. и инерционные характеристики нагрева и транспортировки теплоносителя. В качестве объекта регулирования принят солнечный коллектор (СК), образующий с пластинчатым теплообменником (ПТО1) первый контур циркуляции теплоносителя с регулируемой величиной – температурой в верхней части коллектора в области основного первичного преобразователя температуры – t1 (рис.1).

В
Рис. 1. Технологическая схема контура солнечного коллектора
общем случае в силу зависимости процессов теплообмена от температурного уровня нагрева коллектора система регулирования будет нестационарной нелинейной. Показано, что при практической реализации теплоэнергетических систем эту связь можно принять стационарной в силу относительно небольших изменений температуры в каждом акте регулирования.

П


Рис. 2. Плоский элемент
расчётной схемы
ри исследовании процессов регулирования связь между входной и выходной величинами определена аналитическим путем с помощью преобразований Лапласа и Фурье на примере теплового баланса Qx участка тонкостенного элемента «пера» солнечного коллектора , толщиной и длиной l при Sc – падающей мощности солнечного излучения (рис.2).

Получена закономерность изменения избыточной температуры «пера» –  по отношению к охлаждающей жидкости ( – коэффициент теплопроводности; x – ширина «пера»)

(1)

Зависимость (1) показывает, что распределение температуры в тонкостенном «пере» подчиняется закону квадратичной параболы. Из теории нестационарного нагрева известно, что при значении числа Фурье F₀ = a / x ² = 0,55, что для практических конструкций солнечных коллекторов соответствует времени 0,5 – 2,5 с, наступает регулярный тепловой режим. Следовательно, большая часть времени нагрева «пера» происходит в регулярном режиме.

В случае электронного регулирования целесообразно использовать расчетно-экспериментальный метод, так как выходная величина – напряжение рассогласования – эквивалента регулируемой величине – температуре и, соответственно, разгонная характеристика температуры соответствует подобной для напряжения. Также принято допущение о возможности не исследовать амплитудно-фазовую характеристику систему регулирования, в силу специфики происходящих в объекте природных процессов.

Из анализа рассматриваемых тепловых объектов принята устойчивость разгонных кривых, и их параметры рассчитаны аналитически в стационарном режиме с использованием методики А.В. Лыкова.

Исходя из технологической схемы (рис.1) первого контура гелиоустановки – контура СК, основными звеньями САР приняты последовательно включенные СК, изолированные трубопроводы и ПТО. Полученные в работе числовые характеристики (постоянные времени нагрева пластины СК и трубопровода, время витка циркуляции теплоносителя в первом контуре, а также потери тепла в трубопроводе) позволяют произвести расчёт отдельных узлов автоматики СКУ с целью оптимизации работы всей установки.




Рис. 3 Структурная схема контура нагретой воды БА2 – ПТО2
и контура ПТО2 – теплосеть (догрева – сброса тепла);

КР3– КР5 – клапаны (в положении сброса избытка тепла);
М4 – циркуляционный насос; 1, 2 – положения клапанов; БА2 – бак аккумулятор воды с заданной температурой, t3, t5, t8 – датчики температуры.

В диссертации предложена двухконтурная схема стабилизации температуры воды (рис. 3), учитывающая стратификацию температурных слоёв в баке аккумуляторе с использованием в качестве внешнего источника регулирования теплосети по закрытой схеме теплопередачи. Автором разработан алгоритм управления исполнительными механизмами – трёхходовыми клапанами с электроприводом КР3– КР5, входящими в состав системы управления.

Алгоритм управления реверсивным режимом представлен в виде следующих процедур (рис.4): процедура догрева водопроводной воды до заданной температуры при условии, что температура воды теплосети больше, чем на выходе бака кондиции БА2; процедура отмены подачи горячей воды теплосети к теплообменнику ПТО2 при условии, что температура воды на выходе бака БА2 равна кондиционной; процедура подачи горячей воды теплосети к теплообменнику ПТО2 для охлаждения избыточной температуры в БА2; процедура отмены подачи горячей воды теплосети к теплообменнику ПТО2 при условии, что температура воды на прямой ветви теплосети меньше температуры воды в обратной ветви. Рассчитаны и экспериментально подтверждены температурные режимы работы исполнительных механизмов.

Для учёта переходных процессов в теплосети при работе моторного привода по переключению положения клапана КР5 команды по его управлению (счетчик ST3) выполняются с задержкой. Для предотвращения несанкционированных процессов сброс тепла производится при росте превышения температуры в баке над температурой в теплосети не более 8 °С, при дальнейшем росте температуры КР5 переводится в закрытое положение. Сигнал – флаг FLKR5 подает на блок управления концевой выключатель моторного привода КР5.

Р
ис. 4 Алгоритм управления гелиоустановкой
в реверсивном режиме работы с теплосетью

Для более эффективного внедрения устройств на основе возобновляемых источников энергии в повседневную практику необходимо иметь отлаженные методы прогнозирования экономической эффективности на стадии проектирования. Расчетные экологические и технико-экономические показатели на практике связывают с экономическими и
1

1
здержками и энергетической окупаемостью всего цикла производства материалов, комплектующих и оборудования установок. Спецификой рассматриваемого случая использования ВИЭ является то, что темп роста стоимости энергоресурсов значительно превосходит темп роста сырья, материалов, проката и т.д.

В ходе проведённого анализа получено выражение для определения срока окупаемости установки на основе ВИЭ:

(2)

где: n – число лет(месяцев) или срок окупаемости; К – капитальные вложения; q – годовой (месячный) коэффициент роста стоимости энергоресурсов; А₁ – фактический доход в конце первого года эксплуатации установки с учетом затрат; i – параметр дисконтирования.

Формула (2) позволяет учитывать, компенсирование банковского процента общей инфляцией цен на оборудование и материалы, поэтому значимым является лишь опережающий рост стоимости традиционных энергоресурсов.

Проведённый во второй главе расчёт технических параметров первого контура и разработанные алгоритмы управления отдельными контурами, в том числе принципиально новое управление взаимодействием контура кондиционной горячей воды с теплосетью дают возможность перейти к построению системы управления теплоэнергокомплексом.

В третьей главе на основе структурного синтеза предложена четырехконтурная схема солнечной коллекторной установки водоснабжения, включающая узел реверсивного сопряжения с теплосетью. Произведён анализ работы СКУ ГВС в различных режимах. Построена общая структура системы автоматизации, включающая блок обработки информации и управления. Выполнен расчет погрешности основного измерительного канала (температура СК). Приведен расчёт параметров солнечной электростанции для собственных нужд системы водоснабжения.

Для достижения максимальной эффективности с учётом проведенного анализа существующих вариантов технологических схем и структурного синтеза предложена 4-х контурная схема гелиоустановки ГВС реализующая реверсивный режимом работы с теплосетью (рис.5).

В контуре №1 традиционной схемы, образованном блоком солнечных коллекторов – СК, циркуляционным насосом М2, пластинчатым теплообменником ПТО1 при круглогодичной работе используется антифриз – экосол (пропиленгликоль), при сезонной – дистиллированная вода. Насос М2 включают при температуре теплоносителя в СК больше, чем температура в нижней части БА1,а М3 с задержкой после прогрева первого контура (время задержки получено аналитическим путем при исследовании работы контура СК). Выключение насосов М2, М3 происходит при остывании СК.

Особенностью контура №2, в котором циркулирует нагреваемая питьевая вода, составляют баки-аккумуляторы БА1 и БА2 циркуляционный насос М3. Баки-аккумуляторы работают последовательно, находятся под давлением водопровода (до 1 МПа) и стратифицированы по температуре воды. Алгоритм работы трехходового клапана КР1 задан таким, чтобы нагретая от Солнца вода на выходе из ПТО1 возвращалась в бак БА1, если ее температура ниже кондиционной, или подавалась в бак БА2, если ее температура выше кондиционной.

Рис 5. Общая структурная схема установки теплоснабжения

Для реверсивного сопряжения с теплосетью автором добавлены в систему управления: контур №3 – бака заданной температуры воды и контур №4 – сопряжения с теплосетью, которые разделены через теплообменник ПТО2. Работа контуров рассмотрена выше и соответствует (рис. 3). Предложенная закрытая схема теплоснабжения позволяет вдвое уменьшить платежи теплоснабжающей организации (за Гкал), а также произвести сброс избыточного тепла в теплосеть. Установленные счетчики тепловой энергии (Q2, Q3) реализованы на базе тепломера типа ВКТ7-03 и позволяют произвести взаимозачет тепла с централизованной сетью в прямом и обратном направлении теплового потока.

Для системы автоматики в ходе работы произведен выбор контролируемых параметров температуры, давления, положения задвижек, определены количества необходимых сигнализаций и блокировок при выходе контролируемых величин за допустимые пределы.

В диссертации произведён анализ работы синтезированной четырёхконтурной СКУ ГВС в различных возможных режимах: в ночное время, или днем при низкой инсоляции из-за высокой облачности, или тумана, смога; утром при солнечном сиянии и параллельном догреве от централизованного источника; в дневное время при прямом нагреве от солнца до кондиционной температуры; при избыточной инсоляции и перегревом кондиционной воды с включением режима сброса избытка тепла в централизованный источник.

Для проведения научных исследований при мониторинге работы СКУ и использования установки в образовательном процессе ВУЗа была принята двухуровневая система автоматики с использованием компьютера, который имеет сетевое соединение с учебной аудиторией. В ходе исследований сформирован банк данных контролируемых параметров. Для непосредственного управления использован микроконтроллер AT89S8252, на базе которого сконструирован шкаф автоматики с кнопочно-клавиатурными органами управления и LCD-табло для отражения текущих характеристик процесса управления. К дополнительным функция АСУ отнесены отображение на мониторе мнемосхемы с расходом холодной и горячей воды, выработкой тепла, расчетным КПД установки, а также графиками «легенды».

Для измерительного канала произведена оценка погрешности при этом составляющие погрешности измерения при последовательном соединении

(3)

где k = 1,2 – для особо важных параметров, δ_i – погрешность компонентов канала измерения. С учетом ряда класса точности компонентов .

Расчёты показывают, что дрейф показаний средств измерений укладывается в диапазон .

Построение системы управления четырехконтурной гелиоустановкой, апробация предложенных технических узлов и программного обеспечения позволяет приступить к аппаратурному исследованию системы управления.


В четвёртой главе предложен аппаратно-статистический способ измерения интегральной прозрачности атмосферы, приведены результаты экспериментальных исследований опытно-промышленной гелиоустановки.

Результаты аналитических исследований по работе контура СК нашли своё подтверждение при эксплуатации гелиоустановки. При исследовании графиков температур в СКУ в безоблачный день наблюдается 35-минутный переходный процесс, связанный с тепловой инерционностью первого контура, что обуславливает необходимость включение насоса М3 второго контура с задержкой. Исследование КПД СКУ в зависимости от времени года и в различных нештатных ситуациях, например при аварийной остановке циркуляционного насоса первого контура в солнечный день показало безаварийность работы установки. Реализация алгоритма управления обеспечивает автоматический запуск установки теплоснабжения с нагревом воды в жаркие летние ночи.

В процессе эксплуатации произведен анализ комбинированного режима работы СКУ в разное время года, исследованы ресурсы теплоснабжения, построены графики средней солнечной радиации по временам года: за июль, октябрь, январь, апрель. Посредством пиранометра ПП-1, сопряженного с управляющим процессором гелиоустановки, исследованы оптические свойства атмосферы в городе, показан вклад загрязнения выхлопными газами в уменьшение ее прозрачности – до 15 % – экранирующим действием смога в центре Сочи. На графиках регистрации мощности солнечного излучения пиранометром зарегистрировано пиковое увеличение мощности при очистке воздуха кратковременным дождём. Исследованы соотношения количества теплоты, вырабатываемой СКУ ГВ и потребляемой от централизованного источника.

Обработанные материалы по работе гелиоустановки, собранные, в частности, за сезон июнь 2005 – май 2006 гг. позволили определить суммарную выработку тепла от солнца, коэффициент ассимиляции солнечной энергии, необходимый догрев от теплосети, зарегистрировать моменты возврата в теплосеть неиспользованной теплоты и т.п. (табл. 1, рис.6).


Таблица 1 – Количество тепла по месяцам в 2006 г.

Месяц	Произведено, ГКал	Догрето, ГКал	Отдано, ГКал	Итого, ГКал	Нагрев от Солнца, %
Сетябрь	3.345	1.620	0.000	4.965	67.371
Октябрь	2.464	2.491	0.003	4.952	49.758
Ноябрь	2.019	4.283	0.004	6.298	32.057
Декабрь	2.122	5.621	0.000	7.743	27.404
Итого	38.936	30.970	0.037	69.869	55.727
МДж	3663.453	2914.001	3.481	6573.973

Экспериментально снятые автором характеристики суточного солнечного излучения в плоскости солнечных коллекторов, расположенных под углом, равным широте местности (43 ⁰) дают отличия от приведенных в СНИПе. Разница становится особенно заметной в периоды солнцестояния, в июне интегральная суточная плотность солнечной энергии уменьшается на 10 %, а в декабре относительное увеличение достигает 50 % . Полученные результаты можно объяснить применённым углом наклона солнечных коллекторов. Это необходимо учитывать при проектировании гелиоустановок и определении их эффективности в рассматриваемом районе.



Рис.6 Диаграмма соотношения распределения тепловой энергии

В ходе работы произведена поузловая доработка СКУ нового поколения; разработана и апробирована система автоматического управления совмещённой СКУ ГВ и городской теплосети; выполнены исследования плотности солнечной радиации при широтном угле наклона коллектора в условиях субтропического региона г. Сочи. Использовано при разработке и внедрении промышленной установки СКУ ГВС в двух учебных корпусах Сочинского государственного университета и здании спортзала Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Основные выводы по результатам работы

1. Разработана система управления теплоэнергокомплексом на базе гелиоустановки с комбинированным реверсивным режимом теплообмена и решена задача безаварийной круглогодичной работы гелиотехнических установок за счёт сброса избыточного тепла в централизованную теплосеть.
   
2. Впервые предложена четырехконтурная схема гелиоустановки ГВС с реверсивной работой с теплосетью, реализующая максимальную эффективность использования солнечного тепла.
   
3. Реализован автоматизированный теплоэнергокомплекс горячего водоснабжения на базе гелиоустановки, работающей в комбинированном режиме реверсивного теплообмена совместно с центральной теплосетью, позволяет диверсифицировать энергетику в условиях субтропиков, а также увеличить безопасность и надёжность энергоснабжения.
   
4. Проведён расчётно-теоретический анализ системы управления и определены параметры регулирования солнечно-коллекторных установок, аппроксимировано значение инерционности СКУ и точности поддержания температурного уровня САР.
   
5. Показано, что в условиях российских субтропиков при оптимальном проектировании СКУ могут покрывать до 60 – 70 % годовой нагрузки горячего водоснабжения при КПД 70 – 80 %.
   
6. Предложен аппаратно-статистический способ измерения интегральной прозрачности атмосферы, позволяющий учитывать экранирующее действие загрязненного воздуха на ассимиляцию солнечного излучения гелиоустановками.
   
7. Показано, что изменения интенсивности солнечной радиации по отношению к данным СНиП не превышают 10 % в месяц летнего солнечного и доходят до 50% в месяц зимнего противостояния, что необходимо учитывать при проектировании гелиосистем.
   
8. Разработана и внедрена схема автоматизации СКУ ГВС учебного корпуса СГУ и спортзала Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, реализующая алгоритмы реверсивного теплообмена. Результаты настоящей работы могут быть использованы в проектировании и внедрении гелиотехнических энергетических систем в условиях субтропиков.
   

Основные публикации по теме диссертации

1. Садилов П.В., Петренко В.Н., Миминошвили С.А. Инновации – в учебный процесс // Высшее образование в России. 2005. № 10. С.85.
   
2. Петренко В.Н., Садилов П.В. Опыт параллельной работы гелиоустановки и теплосети в регионе Сочи // Промышленная энергетика. 2005. № 10. С.47.
   
3. Садилов П.В., Петренко В.Н., Логинова С.А., Ильин И.К. Опыт использования ВИЭ в регионе г. Сочи. // Промышленная энергетика. 2009. № 5. С.50.
   
4. Садилов П.В., Петренко В.Н. Состояние и перспективы использования возобновляемых видов энергии в современных условиях // Вестник СГУТиКД: выпуск 1-2 сентябрь-декабрь 2007. С. 31.
   
5. Садилов П.В., Петренко В.Н., Логинова С.А., Лукьянов В.А., Ильин И.К. Некоторые вопросы использования ВИЭ в условиях российских субтропиков // Вестник СГУТиКД: выпуск 3, 2008. С.114.
   
6. Садилов П.В., Петренко В.Н. Внедрение автоматизированной гелиоустановки горячего водоснабжения в г. Сочи // Материалы Международного научно-промышленного форума «Великие реки – 2004», Нижний Новгород. 2004. С.40.
   
7. Садилов П.В., Волков А.Н., Петренко В.Н., Миминошвили С.А. Использование возобновляемых видов энергии в рекреационном регионе г. Сочи // Материалы международного семинара под эгидой ЮНЕСКО в рамках работы BSTN «Культурное наследие, туризм и устойчивое развитие стран Черноморского бассейна». Сочи: СГУТиКД. 2004. С.254.
   
8. Садилов П.В., Петренко В.Н., Волков А.Н. Разработка системы автоматизации гелиоустановки горячего водоснабжения учебного заведения //Сборник статей 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», – М:, ВИЭСХ, 2004.
   
9. Садилов П.В., Петренко В.Н., Миминошвили С.А. Опыт использования возобновляемых источников энергии в регионе г. Сочи. Инновационные подходы. Энергосбережение и возобновляемая энергетика – 2005 // Материалы Международного научно-практического семинара, Сочи, 2005. С.48.
   
10. Петренко В.Н. Оптимизация гелиоустановки для параллельной работы с теплосетью в районе г. Сочи // Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития индустрии туризма. Материалы 6-й международной научно-практической конференции. Сочи. 2006. С. 97.
    
11. Садилов П.В., Петренко В.Н., Панин Е.В., Исследование эффективности работы гелиоустановки в условиях г. Сочи. Студенческие научные исследования в сфере туризма // Материалы 1 всероссийской студенческой научно-практической конференции, Сочи. 2007. С.169.
    
12. Садилов П.В., Петренко В.Н., Разработка режима работы гелиоустановки горячего водоснабжения для условий г.Сочи // Материалы конференции «Устойчивое развитие городов и новации жилищно-коммунального комплекса» – М:, МИКХиС. 2007. С.329.
    
13. Садилов П.В., Петренко В.Н. Опыт применения установок ВИЭ в образовательных учреждениях г.Сочи. Строительство в прибрежных курортных регионах. // Материалы 5-й международной научно-практической конференции. Сочи. 2008. С. 197.
    

Подписано в печать с готового оригинал-макета 17.11.2011 г.

Формат бумаги 60х84. Бумага офсетная.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0.

Гарнитура Times New Roman.

Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр ФГБОУ ВПО «СГУ».

354003, г. Сочи, ул. Пластунская, 94. Тел. 68-25-73.