Американский Научный Журнал АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Аннотация. Рассматриваются вопросы экономии энергетических ресурсов в быту, производственных процессах промышленного и сельскохозяйственного производства. Приводятся эффективные средства экономии топливных ресурсов и защиты окружающей среды с использованием солнечных систем теплоснабжения. Говорится о возрастании значимости технико-экономических исследований по определению оптимальных параметров и структуры солнечных теплонасосных установок, вида технической схемы и профиля оборудования на стадиях проектной работы. Приводятся различные методы оценки эффективности в энергетике, термодинамического анализа и его недостатки. Вместо этого метода предлагается эксергоэкономический, рассматриваются его особенности в общем случае эксергоэкономической оптимизации с использованием эксергетического коэффициента полезного действия Скачать в формате PDF
American Scientific Journal № (2 9) / 2019 55

10. Bekirova K .N. Prospective directions for
overcoming the energy shortage of the Krasnodar
Territory / K.N. Bekirova, M.V. Zelinskaya //
Economics and management: actual questions of the ory
and practice Materials of the scientific -practical
conference. 2015. P. 21 -25.
11. Bekirova K.N. Increasing the level of energy
self -sufficiency of the Krasnodar Territory with the
help of renewable energy sources / K.N. Bekirova,
M.V. Zelinskaya // Innova tive Economy: Prospects for
Development and Improvement. 2015. № 4 (9). Pp. 34 -
39.
12. [12] Dizendorf A.V. Prospects for
renewable energy / A.V. Dizendorf, A.E. Uskov //
Political electronic scientific journal of the Kuban State
Agrarian University. 2016. No. 124. P. 1403 -1416.
13. Kulinich K.S. Efficiency of renewable energy
sources in souther n regions of Russia / К.С. Kulinich,
O.S. Zamerina // Engineering systems and structures.
2015. № 1 (18). Pp. 74 -78.
14. Grigorash O.V. On the efficiency and
feasibility of using renewable energy sources in the
Krasnodar Territory / O.V. Grigorash, V.V. Tropin ,
A.S. Oskina // The polytechnical network electronic
scientific journal of the Kuban State Agrarian
University. 2012. No. 83. P. 188 -199.
15. Grigorash O.V. Non -traditional auto nomous
power sources / О.V. Grigorash, Yu.I. Strelkov //
Industrial Power Engineer ing, No. 4, 2001, p. 37 -40.
16. Grigorash O.V. Renewable energy sources:
monograph / O.V. Grigorash, Yu.P. Stepura, R.A.
Suleymanov, E.A. Vlasenko, A.G. Vlasov; Under the
Society . Ed. O.V. Grigorash. - Krasnodar: KubGAU,
2012, - 272 p.
17. Amerkhanov R.A. Features of the use and
development of renewable energy in the Krasnodar
Territory / R.A. Amerkhanov, A.S. Kirichenko, A.A.
Kulichkina, Yu.L. Murtazaeva // Herald of the agrarian
sci ence of the Don. 2015. No. 1 (29). Pp. 26 -38.
18. Launch ceremony of the Kosh -Agach solar
power plant. (September 4, 2014) [The electronic
resource] - URL: http://kremlin.ru/ events / president /
news / 46560.
19. Novak A.V. Results of the work of the fuel and
ene rgy complex of the Russian Federation in the first
half of 2016 [Ele ctronic resource] - URL:
http://minenergo.gov.ru/node/5660
20. Decree of the Government of the Russian
Federation of 17.10.2009 № 823 "On schemes and
programs for the long -term development of the electric
power industry" // Collection of Legislation of the
Rus sian Federation, 26.10.2009, No. 43, art. 5073.
21. Report on the functioning of the UES of
Russia in 2016. JSC "SO UES". [Electronic resource] -
URL: http://so -
ups.ru/fileadmin/files/company/ reports/disclosure/201
7/ups_rep2016.pdf
22. Topaz Solar Farm, California , NASA Earth
Observer - URL:
https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=
85403 & src = eoa -iotd
23. Amerkhanov R.A. Potential of renewable
energy in the Krasnodar Territory / R.A. Amerk hanov,
R.S. Kasyanov, I.V. Milovanov // Instruments of
modern scient ific activity. 2016. P. 13 -14.
24. Verbitskaya S.V. Possibilities of using solar
energy in the Krasnodar Territory / S.V. Verbitskaya,
R.A. Amerkhanov, Yu.L. Murtazaeva, M.I. Milovanov
// Proc eedings of the Kuban State Agrarian University.
2014. №. 48. P. 146 -149.
25. Amerkhanov R.A. Analysis of technical and
economic indicators of the wind power plant // Energy
saving and water treatment. 2003. № 3. P. 66.
26. Butuzov V.A. Prospects for the developmen t
of renewable energy in the use of complex low -power
solar -power pl ants / V. А. Butuzov, R.A. Amerkhanov,
E.V. Bryantseva, V.V. Butuzov, I.S. Gnatyuk //
Proceedings of the Kuban State University, 2010. №
24. P. 188 -196.

АНАЛИЗ ТЕХНИКО -ЭКОНО МИЧЕСКИХ ИССЛ ЕДОВАНИЙ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕ СКИХ УСТАНОВОК

Амерханов Роберт Александрович
доктор технических наук, профессор, кафедра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный у ниверситет
имени И.Т. Трубилина », Краснодар, Россия
Кириченко Анна Сергеевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет
имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия
Ар маганян Эдгар Гарриевич
аспирант, кафедра электротехники,
теплотехники и возобновляемых источников энергии
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет
имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия

Аннотация . Рассм атриваются вопросы экономии энергетических ресурсов в быту, производственных
процессах промышленного и сельскохозяйственного производства. Приводятся эффективные средства
экономии топливных ресурсов и защиты окружающей среды с использованием солнечных сист ем

56 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
теплоснабжения. Говорится о возрастании значимости технико -экономических исследований по
определению оптимальных параметров и структуры солнечных теплонасосных установок, вида
технической схемы и профиля оборудования на стадиях проектной работы. Пр иводя тся различные методы
оценки эффективности в энергетике, термодинамического анализа и его недостатки. Вместо этого метода
предлагается эксергоэкономический, рассматриваются его особенности в общем случае
эксергоэкономической оптимизации с использование м экс ергетического коэффициента полезного
действия.
Ключевые слова: энергетические ресурсы, экономия, солнечные системы теплоснабжения, тепловые
насосы, эксергия, эксергоэкономический анализ, оптимизация, возобновляемые источники энергии,
энергетическая ус танов ка, плотность потока энергии, солнечная радиация, энергетическая эффективность,
коэффициент преобразования

Введение
Использовать энергию с максимальной
эффективностью. Одним из эффективных средств
экономии топливных ресурсов и защиты
окружающей среды явл яется широкое
использование солнечных систем теплоснабжения,
которые с наименьшими потерями дают
возможность в комплексе решать острые проблемы
энергоснабжения, энергосбережения и охраны
окружающей среды, применение в таких системах
тепловых насосов позвол яет в полной мере
использовать энергию возобновляемых источников
и низкопотенциальных выбросов теплоты
предприятий [4].
Однако, практически, во всех развитых
странах формируются и реализуются программы
развития возобно вляемой энергетики [5,6], причем
интер ес к этой проблеме тесно связывается с
экологией, осознанием того факта, что быстрый
экспоненциальный рост негативного
антропогенного воздействия на окружающую
среду ведет к существенному ухудшению условий
обитания чел овека. Поддержание этой среды в
нормал ьном состоянии становится одной из
приоритетных задач жизнедеятельности общества.
В этих условиях прежние узкоэкономические
оценки различных направлений развития техники,
технологии хозяйствования становятся явно
недос таточными, так как не учитывают социал ьные
и экологические аспекты.
При проектировании и оптимизации
современных солнечных теплонасосных систем
необходимо учитывать множество технических и
других видов ограничений. Это указывает на
большую сложность внутре нних и внешних связей
в теплонасосных системах и тенденции к
дальнейшему их усложнению. [7].
Существуют различные методы оценки
эффективности теплоэнергетических технологий
на основе различных коэффициентов, показателей
и т.д., которые не всегда имеют ясны й физический
смысл и не применимы для сравнения показателей
эффективности технологий разных видов.
Продолжительное время для оценки
эффективности в энергетике применялись методы
термодинамического анализа. Одним из
недостатков показателей эффективности да нного
метода является то, что термодин амические
потери, которые являются наибольшими,
учитываются совместно с потерями
механическими, гидро - и аэродинамическими,
химическими потерями через тепловую изоляцию,
с затратами энергии на собственные нужды и др.
Это ведет к прогрессирующей ошибке и, к ак
следствие, низкой объективности полученных
результатов [8].
В отличие от ранее применявшихся методов
термодинамического анализа, в предлагаемом к
рассмотрению эксергоэкономическом методе
учитывается не только количе ство, но и качество
потоков энергии, ч то ставит этот метод на первое
место по своей объективности [9].
Практическая сторона вопроса
Особенностью эксергоэкономического метода
является универсальность, это объясняется тем, что
использование эксергии позволяет оценить запасы
и потоки энергии всех видов, входящих в баланс
любой энерготехнологической системы,
посредством единого критерия эффективности.
Этому методу присуща также простота и
наглядность способов анализа и расчета.
Эксергоэкономический мето д показывает связь
между эксергетическими и те хнико -
экономическими характеристиками системы.
Применение эксергии, учитывая ее связь с
экономикой, позволяет сравнительно просто и
однозначно решить еще один важный вопрос –
выбор критерия эффективности при оц енке и
оптимизации систем с использованием
воз обновляемых источников энергии.
Расчет при эксергоэкономическом методе
разделяется на две составляющие: эксергетическую
(определение потоков эксэргии) и экономическую
(оценка стоимости этих потоков).
Теоретичес кий анализ
Эксергия вещества в замкнутом объем е с
термодинамическими параметрами U, S, Т, р и V
определяется соотношением [10]
�= (U-U0)−Т0(S-S0)+р0(V-V0) , (1)
где e V - удельная (на единицу массы) эксергия
вещества; U0, S0, T0, p0, V0 - внутренняя энерг ия,
энтропия, температура, д авление и объем вещества
при полном равновесии анализируемой системы с
окружающей средой. Формула (1) выражает
эксергию вещества в замкнутом объеме в процессе,
завершающемся выравниванием соответствующих
параметров системы и сре ды. При расчетах
эксергии ра бочего тела (носителя эксергии) в
замкнутой системе в двух разных состояниях
уравнение (1) приводится к виду
��= �� −Т0�� +р0�� , (2)

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 57

где ΔU, ΔS, ΔV, - изменения параметров
вещества при переходе из одного состояния в
дру гое.
Необходимость определения эксергии в
замкнутом объеме возникает чаще всего при
расчетах периодических процессов и установках
периодического действия, в которых рабочее тело
не выходит за пределы данной системы. Однако на
практике большинство химико -технологических
проце ссов непрерывны, стационарны и
сопровождаются перемещениями материальных и
энергетических потоков. Поэтому такие задачи
связаны с определением эксергии вещества в
потоке. Ее термомеханическую составляющую
находят по формуле
�Т= �−Т0(�−�0) , (3)
где q - переносимый веществом удельный
тепловой поток; S - энтропия вещества в потоке.
Для идеальных газов термомеханическая
эксергия определяется выражением
�Т= Ср(Т-Т0)−Т0[Ср⋅ln(Т
Т0)]−�⋅ln(р
р0), (4)
где Ср - удельная теплоемк ость вещества, р и
Т - давление и температура вещества в потоке; R -
газовая постоянная.
Функционирование теплоэнергетической
системы в той или иной степени обусловлено
обменом энергией с окружающей средой. При
передаче от одного тела к другому и к среде
энергии в форме теплово го потока
(теплопроводность) вместе с ним передается и
определенное количество эксергии [10].
Если приемником теплоты служит
окружающая среда с температурой T0, то удельная
эксергия теплового потока, имеющего температуру
Т, составляет
�Т= �(1-Т0Т) , (5)
Тв= 1−(Т0Т) , (6)
Величина Тв называется эксергетической
температурой.
При Т < Т 0 направления потоков
противоположны: тепловой - движется от
окружающей среды (отрицателен),
эксергетический - всегда к среде (положите лен).
Во многих теплоэнергетических система х,
особенно, что касается высокотемпературных,
существенную роль играет обмен энергией в форме
излучения с другими объектами и средой.
Эксергию излучения находят по формуле
�= � [3⋅(3Т4+Т04−4Т0Т3)] , (7)
где e ε - удельная эксергия, приходящаяся на
единицу площади излучающей поверхности; ε и Т -
степень ее черноты и температура; Т 0 -температура
окружающей среды; k - постоянная Больцмана.
В общем случае эксергоэкономической
оптимизации при изменен ии параметров,
структуры и поэлементного состава
энергетической установки необходим учет
технико -экономических характеристик системы.
Эксергетический баланс в форме уравнения
позволяет найти количественные показатели
эффективности работы анализируемой
эне ргетической химико -технологической системы
(ХТС). Среди этих по казателей наиболее
распространен эксергетический кпд ηе,
определяемый соотношением
�е= ∑ЕП.Э. ∑ЕЗ= ∑ЕЗ−∑�ЕО.С.П
∑ЕЗ , (8)
где ΣЕ П.Э . - сумма потоков эксергий,
отражающая полезный эффект от
функционирования системы, ΣЕ З - полные затраты
эксергий на достижени е заданного эффекта.
Для идеального, полностью обратимого
процесса, в котором потери отсутствуют, η е = 1;
если подведенная эксергия полностью теряется в
процессе, то η е = 0. В реальных процессах всегда
соблюдается неравенство: 0<η е<1 при этом, чем
выше чис ленное значение η е, тем
термодинамически совершеннее система. Из
формулы (8) следует также, что разность между
эксергиями, обусловливающими полезный эффект
и эксергетич еские затраты, всегда равна суммарной
потере эксергии от необратимости протекающих в
сис теме процессов.
Таким образом, эксергетический кпд носит
обобщенный характер. Конкретное выражение для
ηе зависит от назначения и особенностей
анализируемого процесса и видов взаимодействия
потоков. Например, с использованием понятия
"транзитной" эксергий EТР (количественно в
системе не изменяется) уравнение для ηе
принимает вид
�е= ∑(Е�″−Е�ТР)+∑(Ех,j″−Ех,jТР)+∑Ех,l″� � �
∑(Е�′−Е�ТР)+∑(Ех,j′−Ех,jТР)+∑Ех,f′� � � , (9)
где нижние индексы обозначают: i - все виды
эксергии, кроме химической; х - химическая
эксергия; j - компоненты вещества, одновременно
присутствующие во входном и выходном потоках;
l - новые вещества, образующиеся в системе; f -
вещества, полностью превращающиеся в другие
вещества.
Система солнечного теплоснабжения с
использованием тепловых насосов
Рассм отрим схему солнечного
теплоснабжения (Рис.1). Солнечная энергия
попадает на поверхность к оллектора, где
преобразуется в полезное тепло, передаваемое по
первому циркуляционному контуру в бак -
аккумулятор, предназначенный для сглаживания
суточных колебаний т емпературы теплоносителя,
откуда тепло отбирается во второй контур
теплоносителя, непосред ственно питающий
потребителя тепловой энергии. Такое разделение
на два независимых контура позволяет эффективно
сглаживать краткосрочные перепады температуры
и интенс ивности солнечного излучения, а так же
использовать в контуре, забирающем тепло от
солнечн ого коллектора меньший (относительно
объема в совмещенном контуре) объем
теплоносителя более высокого качества, такой как
экосол (что актуально в связи с его высокой
стоимостью), а в контуре, питающем потребителя -
проточную воду.

58 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Рисунок 1. Система с олнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор, 2 – бак -аккумулятор, 3 –
потребитель, 4,5 –циркуляционные контуры, 6 -9 – теплообменники, 10,11 – циркуляционные насосы

Данная система проста в эксплуатации, однако
имеет один значительный недостаток,
огр аничивающий возможность ее повсеместного
применения. В случае нескольких пасмурных дней,
когда приход солнечной радиации на
лучевоспринимающую поверхность мал, может
происходить значительное снижение температуры
воды в баке -аккумуляторе.
Энергия в такой си стеме передается от
солнечного коллектора, в котором она
концентрируется и имеет максимальный
температурный потенциал к потребителю,
постепенно теряя плотность.
Во избежание снижения температуры воды у
потребителя применяют повышающий
термотрансформатор, у словная схема системы
солнечного теплоснабжения с повышающим
термотрансформатором приведена на рис. 2.
В такой системе тепло, полученное
поверхностью солнечного коллектора, передается
теплоносителю, циркулирующему в первом
контуре, который отдает тепло в б ак-аккумулятор,
откуда оно отбирается вторым контуром. Из
второго контура тепло п опадает в повышающий
термотрансформатор, который использует
электроэнергию для повышения температуры
теплоносителя третьего контура за счет теплоты,
полученной от теплоносител я второго контура.

Рисунок 2. Система солнечного теп лоснабжения с повышающим термотрансформатором: 1 –
солнечный коллектор, 2 – бак -аккумулятор, 3 – потребитель, 4 -6 –циркуляционные контуры, 7 -10 –
теплообменники, 11 – повышающий термотрансформатор, 1 2-14 – циркуляционные насосы

Така я система позволяет использовать
энергию, полученную даже от рассеянного
солнечного излучения. Однако необходимо, чтобы
приток тепловой энергии или ее запас покрывали
нужды потребителя, иначе может произойти
переохлаждени е теплоносителя в первом контуре,
что приведет к выходу из строя всей системы
солнечного теплоснабжения.
Энергия в такой системе передается от
солнечного коллектора к повышающему
термотрансформатору, который увеличивает ее
тепловой потенциал, а от термотра нсформатора - к
потребителю.
При до лгосрочном прогнозе в пасмурные дни
совместно с солнечным коллектором в качестве
источника тепловой энергии может служить
тепловой насос.
Тепловой насос «воздух -вода» использует
низкопотенциальную теплоту окружающего
воз духа и электроэнергию для преобразо вания ее в
тепловую энергию большей плотности, то есть
повышения температуры теплоносителя в первом
циркуляционном контуре.
Схема системы теплонасосного
теплоснабжения приведена на рис. 3.

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 59

Рисунок 3. Система теплонасо сного тепло снабжения:1 – воздушный тепловой насос, 2 – бак -
аккумулятор, 3 – потребитель, 4,5 –циркуляционные контуры, 6 -8 – теплообменники, 9,10 –
циркуляционные насосы

При такой схеме тепло окружающего воздуха
отбирается испарителем теплового насоса,
пр еобразуется в тепловом насосе, использующем
электроэнергию, передается теплоносителю
первого контура конденсатором теплового насоса.
Тепло из перового контура передается в бак -
аккумулятор, аналогично с системой солнечного
теплоснабжения, однако в теплонасо сной системе
бак -аккумулятор используется только в качестве
накопителя тепловой энергии, и система может
свободно функционировать без него, компенсируя
перепады температуры окружающего воздуха за
счет увеличения потребления электроэнергии.
Систе ма теплонас осного теплоснабжения
может использоваться совместно с повышающим
термотрансформатором (Рис.4), который
используется в случаях, когда температура
окружающего воздуха настолько низкая, что на
испарителе теплового насоса при интенсивной
работе обр азуется лед яная корка, а снижение
потребления теплоты может предотвратить это.

Рисунок 4. Система теплонасосного теплоснабжения с повышающим термотрансформатором: 1 –
тепловой насос, 2 – бак -аккумулятор, 3 – потребитель, 4 -6 –циркуляционные контуры, 7 -9 –
теплооб менники, 10 – повышающий термотрансформатор, 11 -13 – циркуляционные насосы

При использовании возобновляемых ресурсов
в качестве источников может возникнуть
потребность в стабильном и постоянном источнике
энергоснабжения. В качестве резервного источника
питания в солнечной теплонасосной системе
применяется электроводонагреватель, схема
резервного теплоснабжения приведена на рис. 5.

Рисунок 5. Система теплоснабжения с использованием электроводонагревателя:1 –
электроводонагреватель, 2 – бак -аккумулятор, 3 – потребитель, 4 – циркуляционный контур, 5,6 –
те плообменники, 7 – циркуляционный насос

60 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Для наиболее эффективного использования
потенциала солнечной энергии рационально
использовать совмещенную систему солнечно -
теплонасосного теплоснабжения с резервны м
источником (электроводонагрев ателем) и
повышающим термотрансформатором (рис. 6)

Рисунок 6. Система солнечно -теплонасосного теплоснабжения с резервным источником
энергоснабжения (электроводонагревателем) и повышающим термотрансформатором: 1 – солнечны й
колле ктор, 2 - тепловой насос, 3 – электроводонагреватель, 4 – бак -аккумулятор, 5 – потребитель, 6 -9 –
циркуляционные контуры, 10 -13 – теплообменники, 14 – повышающий термотрансформатор, 15 -18 –
циркуляционные насосы

Оптимизация энергетич еской установки
Оптимизация теплоэнергетической установки
– это определение наилучшей из всех возможных
вариантов системы относительно выбранного
критерия ее эффективности. Комплексная,
системная оптимизация имеет целью выбор таких
значений параметров системы (технологич еских,
конструктивных и пр.), которые обеспечивали бы
оптимальные или близкие к оптимальному
значения критерия эффективности [10].
При общей постановке задача оптимизации
решается следующим образом, рассмотрим
энергетическую с истему, которая состоит из n
элементов различных m параметров. Система
однородна и расположена линейно. Задача
оптимизации заключается в таком распределении
греющих потоков С=(С1+С2+…+Сn), чтобы
суммарные термоэнергетические затраты в системе
были минималь ными [10,11]
ΣZi=Z Σmin , (10)
где — термоэлектрические затраты на i -м
компоненте системы.
При этом множество возможных
термоэлектрических затрат в системе
�{�і�(�)}, , (11)
Множество можно разбить на k подмножеств.
На каждом промежуточном этапе p необходимо
выбрать такой поток, для которого:
�і�(�)∈�{�і�(�)}. (12)
Для выполнения условий оптимизации
необходимо найти такой путь потоков
совместимости
С̄= (С0(0),С1(1),...,Ср(р),С[�−(�−1)] (�) , (13)
для которого
�і�(�)= ����(�), (14)
где — минимальные термоэнергетические
затраты для этапа р.
Рассмотрим принципиальные схемы систем
потоков эксэргии: солнечного теплоснабжения
(Рис.8), солнечного теплоснабжения с
использованием повышающего
термотрансформатора ( Рис.9), теплового насоса
(Рис.10), теплонасосного теплоснабжения с
повышающим термотрансформатором (Рис.11),
теплоснабжения от электроводонагревателя
(Рис.12).

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 61

Рисунок 8. Принципиальная схема потоков эксэргии системы солнечного теплоснабжения: 1 – солне чный
коллектор, 2 – теплообменник солнечного коллектора, 3,5 – теплообменники бака -аккумулятора, 4 – бак -
аккумулятор, 6 – теплообменник потребителя, E ПЭР – эксергия, получаемая от Солнца, E К – эксергия
теплоносителя солнечного коллектора, E БА1 , E БА2 – эксе ргии, поступающие и выходящие из бака -
аккумулятора, E П – эксергия, передаваемая потребителю, E Т1 – эксергия, передаваемая теплообменнику
от солнечного коллектора, E Т2 – эксергия, передаваемая теплообменником солнечного коллектора, E Т3 –
эксергия, передаваемая от теплообмен ника бака -аккумулятора к солнечному коллектору, E Т4 – эксергия,
передаваемая теплообменнику потребителя, E Т5 – эксергия, передаваемая от теплообменни ка
потребителя к баку -аккумулятору, П К – потери эксергии в солнечном коллекторе, П БА – потери эксергии в
баке-аккумуляторе, П Т1 - ПТ4 – потери эксергии в теплообменнике

При данной схеме распределения эксергия ,
поступающая от Солнца, частично отражается и
частично поглощается лучевоспринимающей
поверхностью солнечного коллектора, полученная
лучевоспринимающей поверхностью солнечного
коллектора эксергия, передается теплообменнику,
где частично рассеивается в рез ультате
термического несовершенства конструкции
теплообменников солнечного коллектора,
оставшаяся часть поступает через теплообменник
бака -аккумулятора, находящемуся в нем
теплоносителю. В баке -аккумуляторе часть
эксергии теряется в результате теплопотерь в
окружающую среду, а часть рассеивается из -за
несовершенства конструкции теплообменников,
оставшаяся часть передается на теплообменники
потребителя, где так же частично рассеивается. В
результате потребитель получает лишь часть той
эксергии, которая посту пила на поверхность
солнечного коллектора.

Рисунок 9. Принципиальная схема потоков эксэргии системы солнечного теплоснабжения с повышающим
термотрансф орматором. 1 – солнечный коллектор, 2 – теплообменник солнечного коллектора, 3,5 –
теплообменники бака -аккумулятора, 4 – бак -аккумулятор, 6 – повышающий термотрансформатор, 7 –
теплообменник потребителя, E ПЭР – эксергия получаемая от Солнца, E К – эксергия теплоносителя
солнечного коллектора, E БА1 , E БА2 – эксергии, поступающие и выходящие из бака -аккумулятор а, E П –
эксергия передаваемая потребителю, E Т1 – эксергия, передаваемая теплообменнику от солнечного
коллектора, E Т2 – эксергия передаваемая теплообменни ком солнечного коллектора, E Т3 – эксергия,
передаваемая от теплообменника бака -аккумулятора к солнечном у коллектору, E Т4 – эксергия,
передаваемая теплообменнику потребителя, E Т5 – эксергия, передаваемая от теплообменника
потребителя к баку -аккумулятору, П К – потери эксергии в солнечном коллекторе, П БА – потери эксергии в
баке -аккумуляторе, П Т1 - ПТ4 – потер и эксергии в теплообменнике

В отличие от предыдущей схемы
теплоснабжения, при использовании
термотрансформатора потребитель получает
большее количество эксергии, так как к эксергии
солнечной радиации добавляется эксергия
электроэнер гии, затраченной на превышение
температурного потенциала теплоносителя.

62 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Рисунок 10. Принципиальная схема потоков эксэргии системы теплонасосного теплоснабжения: 1 –
теплов ой насос, 2 – теплообменник теплового насоса, 3,5 – тепло обменники бака -аккумулятора, 4 – бак -
аккумулятор, 6 – теплообменник потребителя, N ТН – эксергия, полученная тепловым насосом от
электропитания, Eв – эксергия воздуха, E ТН – эксергия теплоносителя теп лового насоса, E БА1 , E БА2 –
эксергии, поступающие и выходящие из бака -аккумулятора, E П – эксергия, передаваемая потребителю, E Т1
– эксергия, передаваемая теплообменнику теплового насоса, E Т2 – эксергия, передаваемая
теплообменником теплового насоса, E Т3 – эксергия, передаваемая от теплообменника бака -аккумулятора
к солнечному коллектору, E Т4 – эксергия, передаваемая теплообменнику потребителя, E Т5 – эксергия,
передаваемая от теплообменника потребителя к баку -аккумулятору, П К – потери эксергии в тепловом
нас осе, П БА – потери эксерги и в баке -аккумуляторе, П Т1 - ПТ4 – потери эксергии в теплообменнике

При данной схеме распределения эксергия,
поступающая из окружающего воздуха и от
электропитания, частично рассеивается в
результате несовершенства теплонасостной
установки, остальная часть передается
теплообменнику, где частично рассеивается в
результате термического несовершенства
конструкции теплообменников солнечного
коллектора, оставшаяся часть поступает через
теплообменник бака -аккумулятора, находящемуся
в не м т еплоносителю. В баке -аккумуляторе часть
эксергии теряется в результате теплопотерь в
окружающую среду, а часть рассеивается из -за
несовершенства конструкции теплообменников,
оставшаяся часть передается на теплообменники
потребителя, где так же частично рас сеивается.

Рисунок 11. Принципиальная схема потоков эксэргии системы теплонасосного теплоснабжения с
повышающим термотрансформатором: 1 – тепловой насос, 2 – теплообменник теплового насоса, 3,5 –
теплообменники бака -аккумулятора , 4 – бак -аккумулятор , 6 – повышающий термотрансформатор, 7 –
теплообменник потребителя, N ТН – эксергия, полученная тепловым насосом от электропитания, Eв –
эксергия воздуха, E ТН – эксергия теплоносителя теплового насоса, E БА1 , E БА2 – эксергии, поступающие и
выходящие из бака -аккумулятора, E П – эксергия, передаваемая потребителю, E Т1 – эксергия, передаваемая
теплообменнику от солнечного коллектора, E Т2 – эксергия, передаваемая теплообменником солнечного
коллектора, E Т3 – эксергия, передаваемая от теплообмен ника бака -аккумулятор а к солнечному
коллектору, E Т4 – эксергия, передаваемая теплообменнику потребителя, E Т5 – эксергия, передаваемая от
теплообменника потребителя к баку -аккумулятору, П К – потери эксергии в солнечном коллекторе, П БА –
потери эксергии в ба ке-аккумуляторе, П Т1 - ПТ4 – потери эксергии в теплообменнике

При использовании термотрансформатора
потребитель получает большее количество
эксергии, однако и затрачивет на ее получение
больше ресурсов.

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 63

Рисунок 12. Принципиальная схема потоков эксэргии системы теплоснабж ения с
электроводонагревателем: 1 – электроводонагреватель, 2 – бак -аккумулятор, 3,4 – теплообменники бака -
аккумулятора и теплообменник потребителя, N Э – эксергия полученная от электропитан ия, E БА1 , E БА2 –
эксергии, поступающие и выходящие из бака -аккумулят ора, E П – эксергия, передаваемая потребителю, E Т1
– эксергия, передаваемая теплообменнику потребителя, E Т2 – эксергия, передаваемая теплообменником
потребителя, П Э – потери эксергии электр оводонагревателе, П БА – потери эксергии в баке -аккумуляторе,
ПТ1, П Т2 – потери эксергии в теплообменнике.

Анализируя представленные схемы,
необходимо отметить возможности каждой из них
с энергетической, экономической и экологической
точек зрения. Особенностью каждой из схем
является наличие в них различных потоков и поте рь
эксергии, при этом каждый вариант в зависимости
от условий может быть использован, как
самостоятельно, так и в комбинации с остальными.
Оптимизация работы теплоэне ргетической
установки на основе эксергетического анализа
осуществляется с помощью целевых функций [12].
Обычно применяют приведенные денежные
затраты на единицу эксергии продукта или сумму
удельных затрат эксергии. На практике широко
используют вторую из п еречисленных функций. В
общем виде показатель, служащий для нахождения
оптимизации парамет ров теплоэнергетической
установки, имеет вид
���{�}�ПР = ���{�}{(∑��,���+��)
∑�ПР,� }, (15)
где С еi и С ПР - стоимость единицы эксергии
сырья и продукции; Ei и E ПРj - их эксергии; К -
капитальные затраты; {m} -сово купность
параметров, по которым оптимизируется работа
системы. Выражение (15) конкретизируется в
зависимости от особенностей структуры
теплоэнергетической установки и условий ее
функционирования.
Для нах ождения оптимального варианта
используется алгоритм Б еллмана —Калаба, в
основу которого положен анализ матриц
смежности [11].
Эксергетическая оценка проводится на уровне
компонентов системы, с использованием
следующих критериев для K -компонента:
��.�. — абсолютная деструкция эксергии
��.�.= ��.�−��.�−��.� , (16)
� — эксергетическая эффективность
�= �.��.�= 1−��.�.−��.� �.� ; (17)
�� — относительная деструкция эксергии
��� = ��.� �.� . (18)
Критерии эксе ргоэкономического анализа:
цена эксергии топлива
�.�= �.��.� , (19)
цена эксергии продукта
�.�= �.��.� , (20)
цена, связанная с деструкцией эксергии
С�.�= ��.�⋅��.� , (21)
цена, связанная с по терями эксергии
С�.�= ��.�⋅��.� . (22)
цена капитальных затрат ����,
цена эксплуатации и обслуживания ��� .
сумма двух последних составляющих
��= ����+���� ; (23)
относительная разница цен
��= �.�−�.� �.� = 1−�� + �� �.��.� , (24)
эксергоэкономический фактор
�і�(�)∈�{�і�(�)}.. (25)
Значение зависит от относительного
положения компонента системы и его взаимосвязи
с предыдущими и по следующими компонентами.
Когда соответствующие функции цены
установлены, цена оптимальной энергети ческой
эффективности для k -го компонента
приблизительно определяется как
�ОПТ = 1
1+��, (26)
при
��= ((+��)����
�.��,�1−��)
1��+1, (27)
где β — фактор восстановления капитала; —
коэффициент, учитывающий фиксированную часть
эксплуатац ионных затрат и затрат на
обслуживание, которые зависят от капитальных
инвестиций, ассоциированных с K -м компоне нтом;
, и — постоянные, которые используются для
определения функций и — среднее годовое время
эксплуатации системы при номинальной
производител ьности.
Эксергоэкономический анализ и оценка
указывают и сравнивают реальные источники
стоимости в системе, опре деляют оптимальную
стоимость, по которой проходит каждый поток
продукта.

64 American Scientific Journal № ( 29 ) / 20 19
Стоимость эксплуатации
энергопреобразующей системы логически
определяет ся, д.е. / кВт,
�= ��� = ����� +��� , (28)
Экономическая модель настоящей
эксергопреобразующ ей системы представляет
общее решение системы уравнений:
капитальные (инвестиционные) затраты
системы, д.е. / кВт,
��� = ��̄1
�А , (29)
для каждого элеме нта системы:
�С�= �КхК�(1−�)�
�� , (30)
затраты на начальную энерги ю для
функционирования системы, д.е./ кВт,
����� = ��� , (31)
стоимость эксплуатации и обслуживания, д.е. /
кВт,
��� = �1
�+� , (32)
амортизационные отчисления, д.е./кВт,
�= ��(1−�)
��−1 (1+�+�
100
��
2), (33)
коэффициент дисконтирования
�−1= (1+�+�+�
100 )−1, (34)
В формулах 16 — 34 приняты обозначения:
�� — стоимость топлива, (д.е/кВт); � —
инвестиционная стоимость (д.е/кВт); d – затраты на
ремонт и обслужи вание, которые зависят от
поколен ия используемой техники (д.е/кВт); b —
затраты на ремонт, которые зависят от
установленной мощности (д.е/кВт); i — банковский
процент инвестиционных затрат на создание
системы (% /год); r — инфляционный коэффициент
(%/год); n — срок службы объекта (год) ; СР —
время создания объекта (год) ; — годовые налоги
(% / год); v — годовое страхование (% / год); х —
характеристика k -элемента, а — цена единицы
оборудования; n и y — показатели функции; N —
срок эксплуатации.
Заключение
В общем случае эксергоэкономическ ий
критерий оптимизации имеет вид
�= ∑ ���� � +�� ∑ �� � , (35)
где , — стоимость и годовое потребление
эксергии из внешних источников; — годовые
капитальные и связанные с ними затраты в n -ных
элементах сист емы; — годовые з атраты эксергии
для получения K -го продукта.
Целью комплексной системы оптимизации
является выбор значений таких параметров
системы (технологических, конструктивных и т.
д.), которые обеспечили бы оптимальные или
близкие к оптимальным значе ния критерия
эфф ективности
�ОПТ = ���� {�(��)},��∈��, (36)
где R n — n-мерное действительное векторное
пространство.
Эксергоэкономический подход так же
позволяет решить проблему, относящуюся к
термотрансформаторам, а именно экологическую
проблему. С точки зрения эксергии, экологическое
влияние — это работа, которая выполняется
системой в окружающей среде.
Всю эксергию, которая вводится в уже
построенную систему, принято называть эксергией
топлива (не связано с разработкой оборудования).
�= ∫ ����(−�)� ≈ �[1−��� (−��)]
0 =
�(�)= �(�)�[1−��� (�)] , (37)
где � — нормальное время дисконтирования ,
обратное степени дисконтирования � ; � —
полный срок службы системы.
В тер моэкономике величина � может
изменяться как в сторону уменьшения, так и в
сторону увеличения.
В термоэкологии изменение величины зависит
от двух факторов:
� - уменьшается при использовании
традиционных невозобновляемых источников
энергии, так как природн ые ресурсы, независимо от
места их добычи, в целом являются исчерпаемыми;
� - увеличивается при использовании
нетрадиционных источников энергии.

Список литературы:
1. Amerkhanov R.A. Prospects for the use of
renewable energy sources / R.A. Amerkhanov et al. //
Proceedings of the Kuban State Agrarian University.
2013. No. 42. P. 185 -189.
2. Popel, O.S. Atlas of solar energy resources in
Russia / O.S. Popel et al. - Moscow: Institute for High
Temperatures, Russian Academy of Sciences, 2010.
3. Amerkhanov R.A. The ne ed to solve the
problem s of saving energy resources by using modern
energy -saving technologies / R. А. Amerkhanov, A.I.
Trubilin., K.A. Garkaviy / Proceedings of the Kuban
State Agrarian University. 2012. № 36. P. 281 -283.
4. Butuzov V.A. Perspectives of Russi an solar
engineering // Energy saving, №4, 2012.
5. Butuzov V.A. Solar heat supply in Russia.
Design, construction, operation. Lambert Academic
Publishing. Saar -Bru .. cken, 2012.
6. Amerkhanov R.A. Opportunities for the use of
renewable energy sources in the Kr asnodar Territory /
R.A . Amerkhanov et al. / Alternative energy and
ecology. 2015. № 13 -14. Pp. 12 -25.
7. Butuzov V.A., Bryantseva E.V., Butuzov
V.V., Gnatyuk I.S. Experience in the design and
construction of a solar power plant for hot water supply
of a dist rict hospital // Heat s upply news, №2 / 2012.
8. Konovalova A.V. The current state and
prospects for the development of non -traditional
renewable energy in the Krasnodar Territory //
Scientific almanac. 2016. No. 2 -3 (16). Pp. 249 -253.
9. Korzenkov P.G. Potentia l of renewable energy
of the Krasnodar Territory / P.G. Korzenkov, M.S.
Chumak // New Science: Current State and
Development Paths. 2015. № 4 -1. Pp. 33 -36.
10. Bekirova K.N. Prospective directions for
overcoming the energy shortage of the Krasnodar
Territory / K.N. Bekirova, M.V. Ze linskaya //
Economics and management: actual questions of theory
and practice Materials of the scientific -practical

American Scientific Journal № (2 9) / 2019 65

conference. 2015. P. 21 -25.
11. Bekirova K.N. Increasing the level of energy
self -sufficiency of the Krasnodar Territory with the
help of renewa ble energy sources / K.N. Bekirova,
M.V. Zelinskaya // Innovative Economy: Prospects for
Development and Improvement. 2015. № 4 (9). Pp. 34 -
39.
12. Dizendorf A.V. Prospects for renewable
energy / A.V. Dizendorf, A.E. Uskov // Political
electronic scientific journal of the Kuban State
Agrarian University. 2016. No. 124. P. 1403 -1416.
13. Kulinich K.S. Efficiency of renewable energy
sources in southern regions of Russia / К.С. Kulinich,
O.S. Zamerina // Engineering systems and st ructures.
2015. № 1 (18). Pp. 74 -78.
14. Grigorash O.V. On the efficiency and
feasibility of using renewable energy sources in the
Krasnodar Territory / O.V. Grigorash, V.V. Tropin,
A.S. Oskina // The polytechnical network electronic
scientific journal of the Kuban State Agr arian
University. 2012. No. 83. P. 188 -199.
15. Grigorash O.V. Non -traditional autonomous
power sources / О.V. Grigorash, Yu.I. Strelkov //
Industrial Power Engineering, No. 4, 2001, p. 37 -40.
16. Grigorash O.V. Renewable energy sources:
monograph / O.V. Grigorash , Yu.P. Stepura, R.A.
Suleymanov, E.A. Vlasenko, A.G. Vlasov; Under the
Society. Ed. O.V. Grigorash. - Krasnodar: KubGAU,
2012, - 272 p.
17. Amerkhanov R.A. Features of the use and
development of renewable energy in the Krasnodar
Territory / R.A . Amerkhanov, A .S. Kirichenko, A.A.
Kulichkina, Yu.L. Murtazaeva // Herald of the agrarian
science of the Don. 2015. No. 1 (29). Pp. 26 -38.
18. Launch ceremony of the Kosh -Agach solar
power plant. (September 4, 2014) [The electronic
resource] - URL: http://kre mlin.ru/ events / president /
news / 46560.
19. Novak A.V. Results of the work of the fuel and
energy complex of the Russian Federation in the first
half of 2016 [Electronic resource] - URL:
http://minenergo.gov.ru/node/5660
20. Decree of the Government of the Russian
Federation of 17.10.2009 № 823 "On schemes and
programs for the long -term development of the electric
power industry" // Collection of Legislation of the
Russian Federation, 26.10.2009, No. 43, art. 5073.
21. Report on the functioning of the UES of
Rus sia in 2016. JSC " SO UES". [Electronic resource] -
URL: http://so -
ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/201
7/ups_rep2016.pdf
22. Topaz Solar Farm, California, NASA Earth
Observer - URL:
https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=
85403 & src = eoa -iotd
23. Amerkh anov R.A. Potential of renewable
energy in the Krasnodar Territory / R.A. Amerkhanov,
R.S. Kasyanov, I.V. Milovanov // Instruments of
modern scientific activity. 2016. P. 13 -14.
24. Verbitskaya S.V. Possibilities of using solar
energy in the Krasnodar Territor y / S.V. Verbitskaya,
R.A. Amerkhanov, Yu.L. Murtazaeva, M.I. Milovanov
// Proceedings of the Kuban State Agrarian University.
2014. №. 48. P. 146 -149.
25. Amerkhanov R.A. Analysis of technical and
economic indicators of the wind power plant // Energy
saving a nd water treatment. 2003. № 3. P. 66.
26. Butuzov V.A. Prospects for the development
of renewable energy in the use of complex low -power
solar -power plants / V. А. Butuzov, R.A. Amerkhanov,
E.V. Bryantseva, V.V. Butuzov, I.S. Gnatyuk //
Procee dings of the Kuban State University, 2010. №
24. P. 188 -196.