Технология сезонного аккумулирования солнечной тепловой энергии (CАСТЭ) для систем отопления помещений и систем горячего водоснабжения жилых кварталов или многоуровневых зданий.

Предпосылки

В настоящее время для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) используется тепловая энергия, полученная на угольных/газовых теплоэлектростанциях (ТЭС) с устаревшими низкоэффективными системами централизованного теплоснабжения (СЦТС). СЦТС имеют высокий уровень теплопотерь из-за изношенности оборудования и отсутствия тех.обслуживания. Например, среднее удельное теплопотребление многоэтажного жилого дома с СЦТС в Казахстане составляет около 270 кВт·ч/м2 в год, в то время как в западных странах с аналогичным климатом — 120-140 кВт·ч/м2 в год.

Следовательно, повышенное потребление ископаемого топлива для отопления устаревшими системами теплоснабжения привело к интенсивному загрязнению окружающей среды и значительным проблемам в сфере здравоохранения в странах бывшего Советского Союза, и в Казахстане в том числе.

Предлагаемая технология направлена на использование тепловой энергии солнца для отопления и горячего водоснабжения жилых районов, многоэтажных зданий, теплиц и может рассматриваться как централизованная система отопления.

При этом проблемы, связанные с суточным и сезонным колебаниями интенсивности солнечной энергии, затрудняющие ее использование для таких интенсивных систем будут решены. Таким образом технология будет спроектирована так что она будет поставлять 70-90% необходимой тепловой энергии для отопления и ГВС только за счет энергии солнца.

Краткое описание технологии

В рамках реализации проекта будет разработана технология, состоящая из соединенных между собой следующих компонент:

  1. система солнечных коллекторов (СК);
  2. кратоковременного аккумулятора (КВА) на основе материалов для хранения энергии с высокой плотностью (МХЭ-ВП);
  3. геотермального теплового накопителя (ГТН), представленный сетью соединенных между собой U – образных скважинных теплообменников;
  4. дополнительный бойлер для случая, когда система недостаточно покрывает тепловые нагрузки отопления и ГВС.

Солнечное тепло летнего периода собирается системой коллекторов (i), передается в КВА(ii), далее тепловая энергия аккумулируется в грунтовом теплонакопителе (iii) с помощью сети U-образных скважинных теплообменников (СТ). СТ соединены друг с другом так, что нагретая жидкость из КВА прогревает грунт от центра к краям системы. Жидкость, передавшая тепло в грунт, подается обратно в КВА. Следовательно, температура ядра грунтового аккумулятора является самой высокой и повышается до 70°С летом. В отопительный период тепло с помощью СТ извлекается из грунта для поддержки температуры системы КВА на уровне 65°С, чего достаточно для отопления и ГВС современных зданий. В теплое время года ГВС обеспечивается напрямую из КВА, где жидкость нагревается до 80°С без дополнительных источников.

Преимуществом циклического соединения системы является то, что циркуляция теплоносителя происходит в замкнутом круге и нет необходимости установки приборов фильтрации и дезинфекции для достижения стандартов качества воды для потребителей.

Функциональное назначение технологии


Технология САСТЭ предназначена для аккумулирования солнечной тепловой энергии в больших количествах в грунтовом теплонакопителе и краткосрочном аккумуляторе для дальнейшего использования сохранённой тепловой энергии для обеспечения пользовательского блока отоплением и горячей водой.

Предложенная технологии решает проблемы, связанные с суточными и сезонными колебаниями интенсивности радиации солнца, что позволяет предложенной технологии функционировать в качестве централизованной системы теплоснабжения круглый год не зависимо от времени суток и погодных условий.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента средне сезонного использования солнечной энергии, что делает возможным поставлять больше 70% необходимой тепловой энергии для отопления и ГВС только за счет энергии солнца.

Области применения технологии

Предложенная технология представляет собой централизованную систему хранения солнечной тепловой энергии для отопления зданий/помещений и горячего водоснабжения.

Особенности и преимущества технологии

К продаже в результате проекта будет представлена технология сезонного аккумулирования солнечной тепловой энергии (САСТЭ) для отопления и горячего водоснабжения помещений.

а) Преимуществами технологии являются ее экологичность, так как подразумевается использование солнечной энергии. Таким образом, системой САСТЭ можно заменить теплоэнергостанции работающие на опасных для окружающей среды ископаемых топливах во многих странах уже в настоящее время.

б) САСТЭ легко масштабируется, так как любое количество СТ, КСА и солнечных коллекторов может быть подключено, соединено в главную систему САСТЭ, если добавляются больше близлежащих зданий для обогрева.

в) Система дополнительно оснащается интеллектуальным блоком управления (ИнтБУ), который имеет доступ к датчикам температуры, уровня воды и давления; расходометрам; запорным клапанам и насосам. В зависимости от получаемых с датчиков сигналов можно дистанционно регулировать затворные клапаны, управлять расходом теплоносителей в теплообменниках, включать или отключать солнечные коллекторы, насосы, или изменять направление потока в трубах.

г) Большинство КСА аккумуляторов на рынке используют воду в качестве среды энергохранения. Вода может хранить до 225 МДж тепловой энергии на каждый м3 при изменении температуры воды с 25-80°С, на 55°С. Для сравнения, МХЭ-ВП материал, разработанный авторами, может хранить около 600 МДж на каждый кубический метр при меньшем изменении температуры, от 20-30°С. Поэтому КСА аккумуляторы на основе МХЭ-ВП материала позволяет хранить больше энергии при меньшем объеме.

д) Система САСТЭ может работать в течение 20 лет и больше, если его установили правильно.

е) Сезонное хранение на основе грунтового теплонакопителя является относительно недорогим по сравнению с другими крупномасштабными системами хранения, такими как Хранение Тепловой Энергий в Танке (в баке) (ХТЭТ) или Хранение Тепловой Энергии в Водоносном Пласте (ХТЭВП). В случае ХТЭТ, где средой хранения является вода, есть большая вероятность возникновения проблем, связанных с утечкой воды. А производительность ХТЭВП системы зависит от (I) химических веществ входящих в состав грунтовых вод, которые часто вызывают коррозию металлического оборудования и системы труб при циркулировании через систему и (II) скорости грунтовых вод, которая может смыт и унести сохраненную тепловую энергию. Еще одна проблема, (III) это засорение скважин для горячей/холодной воды, так как грунт или порода обычно легко попадает в открытый круг циркуляции ХТЭВП.

А при хранении в грунтовом теплонакопителе, циркуляция жидкости происходит в замкнутом цикле, то есть, нет прямой связи подземных вод с системой СХСТЭ, которая указывает на то, что упомянутые выше проблемы не встречаются в грунтовом теплонакопителе.

ё) САСТЭ работает при низком давлении (1-3 бар), средней температуре (25-90C), и использует нетоксичные материалы, что обеспечивает экологичность, безопасность для окружающей среды.

ж) Систему солнечных коллекторов соединяется с системой КВА аккумуляторов через теплообменник. Такое соединение позволяет легко заменить энергию солнца на любой другой источник низкопотенциального тепла, как выбросное тепло промышленных заводов и энергостанции.

Существующие компании и проекты в Казахстане с аналогичными стратегиями или предложениями:

  • Использование солнечной энергии в Казахстане незначительное, несмотря на то, что годовая продолжительность солнечного света составляет 2200-3000 часов в год, а расчетная мощность 1300-1800 кВт на 1 кв.м в год.
  • В 2010 году был запущен проект по полностью вертикально интегрированному производству фотоэлектрических модулей на основе кремния в Казахстане. KazSilicon производит кремний в городе Уштобе (Алматинская область).
  • Kazakhstan Solar Silicon в Усть-Каменогорске перерабатывает сырье и производит солнечные панели. Компания Astana Solar в г. Астана осуществляет последний этап перераспределения и сборки PV-модулей.
  •  В конце 2012 года в Жамбылской области Кордайского района была введена в эксплуатацию первая солнечная электростанция – «Отар», с мощностью — 504 кВт и емкостью 7 МВт.
  •  20 декабря 2013 года в ходе общенационального телемоста «Сильный Казахстан — строим вместе!» была начата работа СЭС Капшагай (город Капшагай, Алматинская область) мощностью 2 МВт, где используется технология для слежения за солнцем. Проект реализуется дочерней компанией АО «Самрук-Энерго», ТОО «Самрук-Green Energy».

Как видно из приведенной выше информации на данный момент на территории Казахстана не существует активных проектов похожих на САСТЭ. В связи с этим можно утверждать, что идея САСТЭ технологии не имеет на рынке существенных конкурентов. Аналогичный анализ был проведен в странах бывшего Советского Союза, и там тоже оказалось подобные технологии не развиваются, то есть нету конкурентов. На рынках Европы доступны геотермальные сезонные хранилища использующие тепловой насос. Его цена колеблется от 300000-720000€ в зависимости от тепловой нагрузки.

Цена системы САСТЭ будет зависеть от требуемой тепловой нагрузки зданий/микрорайона. Несмотря на это, его цена будет доступной для клиентов, так как САСТЭ основана на сравнительно недорогих аккумуляторах, и рассчитана на долгосрочную эксплуатацию. Также срок окупаемости данной технологии составит 5-6 лет.

В виду того, что одним из главных преимуществ технологии сезонного аккумулирования солнечной тепловой энергии является создание геотермальных аккумуляторов с помощью сети скважин. Следовательно, одной из основных статьей расходов технологии является бурение, например, стоимость бурения одной скважины составляет около 1,5 млн. тг, в то время как нам необходимо пробурить не менее 12 геотермальных теплообменников. Для снижения себестоимости и сокращения сроков окупаемости технологии планируется приобретение буровой установки. Поэтому все работы по бурению, а именно: предустановочные работы для определения тепловых свойств и геологических особенностей местности, оценки возможности грунта для сооружения ГТА; и дальнейшее работы по самой установке ГТА будут осуществляться самими разработчиками технологии;

А также расчеты конструкции, для нахождения необходимого количества компонентов, входящих в систему для каждого конкретного заказа; строительство и сооружение энергетического центра, включающего в себя кратковременный аккумулятор, измерительные приборы, и системы управления будут реализовываться самой исследовательской группой что позволяет удешевить стоимость технологии.

Так как работы по установке будут проводиться с участием самих разработчиков технологии и компании-партнёра KunTech, качество установки технологии будет гарантировано. После завершения работ по установке системы, будут проводиться проверки всех частей системы на работу надлежащим образом и тестовый запуск на выведение и устранение возможных проблем. Только после этих этапов будет произведена передача технологии в эксплуатацию заказчикам.

Время, затрачиваемое на установку и интеграцию САСТЭ со зданиями или жилым районом, зависит от размера, количества и типов зданий. Таким образом, в течение первых 3 лет на рынке при наличии спроса на рынке на отопление крупномасштабных объектов, целевой объем устанавливаемых технологии будет 3 единицы в год, в противном случае, для объектов средних масштабов — 6 единиц в год. После того как установка технологии будет освоена хорошо, в виду упрощения, ускорения и удешевление прочесса установки количество устанавливаемых систем возрастет до 5-6 единиц в год для крупномасш табных объектов и 8 единиц для среднемасштабных объектов.

А также будут организованы обучающие курсы для подготовки специалистов для дальнейшего развития и расширения компании.

Инновационные аспекты технологии

а) Отличительной особенностью является использование МХЭ-ВП материалов в КВА аккумуляторах, которые как уже упоминалось выше позволяют хранить больше энергии при меньшем объеме и меньшем изменении температуры. Состав материала фазового перехода зависит от климатических особенностей местности и необходимой мощности пользовательского блока.

б) Грунтовый теплонакопитель, являющийся основным составляющим технологии, можно заряжать и разряжать тепловой энергией солнца. Притом, что для отбора тепловой энергии грунта тепловой насос не используется. В качестве теплоносителя используется обычная вода. Для сравнения можно рассмотреть систему геотермального теплового насоса (ГТН) который забирает около скважинное тепло грунта, и в течение многих лет температура грунта вокруг геотермального насоса уменьшается, снижая эффективность теплового насоса за счет постоянного отбора тепла и недостаточности времени для естественного восстановления температуры грунта.

в) Еще одной отличительной особенностью системы является замкнутый круг циркуляции теплоносителя, в виду что отсутствует необходимость установки приборов фильтрации и дезинфекции для достижения стандартов качества воды для потребителей.

Высокая средняя плотность хранения тепловой энергии: то есть в КСА аккумуляторе 330 кДж/кг (объем варьируется от 1-3 м3) и в грунтовом теплонакопителе 60-70 кДж/кг (примерный объем от >8000 м3). Масштабируемость так как любое количество Скважинных Теплообменников, КСА и солнечных коллекторов может быть подключено, соединено в главную систему САСТЭ, если добавляются больше близлежащих зданий или промышленных объектов для обогрева. Не используется тепловой насос. Для зарядки и разрядки грунтового теплонакопителя энергией солнца в качестве теплоносителя будет использоваться обычная вода.

Данная технология является концептуально новым подходом по хранению тепловой энергии. Так как предлагается хранение тепловой энергии в грунте. Объем грунтового аккумулятора может быть больше >8000 м3 и увеличен за счет добавления новых скважин. ГТА может заряжаться и разряжаться многократно с помощью обычной воды, который циркулирует в замкнутом контуре сети скважин в качестве теплоносителя.

Использование солнечной энергии для отопления и ГВС тоже является концептуально новым подходом к энергоснабжению. Данная технология может заменить ТЭСы  работающие на ископаемых топливах таких как уголь или газ.