Задачи по нетрадиционным источникам энергии(1). Методическое пособие по выполнению расчётно графических и контрольных работ. Алматы введение
Скачать 373.54 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН АКАДЕМИЯ ЛОГИСТИКИ И ТРАНСПОРТА Возобновляемые источники энергииУчебно–методическоепособиеповыполнениюрасчётно–графическихиконтрольныхработ. Алматы ВВЕДЕНИЕЭнерговооруженность общества - основа его научно - технического прогресса, база развития производительных сил. Ее соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста. Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства и социальной стороны человечества. Энергообеспечение должно быть надежно и с расчетом на отдаленную перспективу. Традиционные источники энергии - невозобновляемые (нефть, уголь, газ) истощаются и уже сейчас не могут с расчетом на перспективу обеспечить будущее человечества. Кроме того, они несут угрозу экологической безопасности Земли. Нетрадиционные источники энергии - возобновляемые, не ограничены геологически накопленными запасами. Их использование и потребление не приведет к неизбежному исчерпанию запасов. Нетрадиционные источники энергии можно объединить единым термином «экоэнергетика», под которым подразумевается получение чистой энергии, не вызывающей загрязнения окружающей среды. К нетрадиционным источникам энергии относятся: использование солнечной энергии, ветровой энергии, гидроэнергетики, энергии океана, приливов, энергии биомассы, геотермальная энергия и т.д. В учебно – методическом пособии приводятся основы расчётов задач по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. ЭНЕРГИЯ СОЛНЦАДля использования солнечной энергии в основном применяются солнечные коллекторы. Солнечный коллектор используется для нагрева жидкости. Поток солнечной энергии Qс, поглощаемой поверхностью приёмника, составляет:
где G - облученность приемника, Вт/м²; Ап - площадь освещенной поверхности, м²; τпр - коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приемную поверхность от ветра, при одинарном остеклении принимается 0,9, при двойном – 0,8; αпг - коэффициент поглощения приёмной поверхностью солнечного излучения, 0,85 - 0,9. В процессе поглощения температура приёмной поверхности повышается. Повышение температуры приёмника Тпр над температурой окружающей среды Тср приводит к возникновению потока от приёмника, причём скорость теплоотдачи равна (Тпр – Тср)/Rт, где Rт – термическое сопротивление. Теплоотдача приемника в окружающую среду:
где Тпр - температура приёмника, °С; Тср - температура окружающей среды, °С; Rт - термическое сопротивление, К/Вт. Суммарный поток тепла QΣ, поступающего к приёмной площадке, определяется балансом (уравнение солнечного коллектора):
где ηи - коэффициент захвата излучения, 0,85. Коэффициент к определяет долю суммарного потока QΣ, передаваемую жидкости. В приёмниках хорошего качества разность между температурами приёмной площадки и жидкости мала и коэффициент теплопередачи лишь немного меньше единицы. Таким образом, поток тепла от приёмника солнечного излучения к теплоносителю определяется соотношением
Поток тепла при нагревании массы жидкости m:
где Тж - температура жидкости, °С; с - теплоёмкость жидкости, Дж/(кг К). Поток тепла при нагревании жидкости, массовый расход которого через приёмник m1:
где Т1 - температура входящей жидкости в приемник, °С; Т2–выходящей, °С; m1 - массовый расход жидкости в трубе, кг/с. Рисунок 1 - Схема нагрева жидкости в коллекторе солнечным излучением Вместо параметра Q удобно использовать плотность теплового потока (тепловой поток на единицу площади) q:
где r - удельное термическое сопротивление. м2∙К/Вт
где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К).
Механизмы теплопереноса обозначаются различными нижними индексами у параметров R, r или α, а именно n - для теплопроводности, k - для конвекции, (из) - для излучения, ж - для жидкости. Количество тепла Q, переносимого в результате через пластину толщиной ∆х и площадью Ап при разности температур её поверхности, равно:
где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К). Знак минус означает, что тепло переносится в направлении убывания температуры по толщине пластины. Термическое сопротивление при теплопроводностном механизме переноса тепла:
и удельное термическое сопротивление:
У неподвижного воздуха λ = 0,03 Вт/(м∙К). Время, необходимое для повышения температуры:
где Сж - теплоёмкость жидкости; с - удельная теплоёмкость; m- масса жидкости. Уравнение теплового баланса для рис. 2.1.
где Rп - полное термическое сопротивление промежутка между приёмной поверхностью резервуара и окружающим воздухом.
где Rк,п-с – конвективное термическое сопротивление между приёмником и стеклом; О Rиз.п-с – радиационное термическое сопротивление между приёмником и стеклом. Рисунок 2.2 - Закрытый чёрный нагреватель Т - температура: Тн - неба, Тср - среды, Тс - стекла, Тж - жидкости, Тд - дна. Полное термическое сопротивление промежутка приёмная поверхность нагревателя – стеклянная крышка:
Наличие стеклянной крышки в 4 раза повышает сопротивление теплопотерям между поверхностью нагретой воды и окружающим воздухом. Подогреватели воздуха. Энергия, передаваемая воздуху от поглощающей поверхности в единицу времени:
где ρ - плотность воздуха, 1,2 кг/м3; с - теплоёмкость воздуха, 1 кДж /(кгК); Т1 и Т2 - температура входящего и выходящего воздуха, С ͦ; Qр – объёмный расход воздуха, м3. Зерносушилки. Абсолютная влажность зерна определяется по формуле:
где m - текущая масса пробы; m0 - масса сухого вещества пробы. Во время просушивания зерно будет отдавать влагу окружающему воздуху до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное содержание влаги, которое зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. (принимается из таблиц). В процессе выпаривания массы воды mв объём воздуха V охлаждается от Т1 до Т2:
где r - удельная теплота парообразования воды, при = 0,1МПа и Т = 100°С, r = 2257 кДж/кг. Солнечные отопительные системы. Тепловой баланс внутри здания описывается уравнением:
где Тr – комфортная температура в помещении, °С; Ап – площадь приёмника, м2; G –интенсивность солнечного излучения, Вт/м2. Если температура в комнате постоянна, то: τпр∙αп∙G=(Тr-Tср)/r, (2.24) где τпр - пропускание стекла, 0,9; αп - коэффициент поглощения стенки, 0,8; r - термическое сопротивление потерям из комнаты наружу вертикального окна с одним стеклом, r = 0,07м2 К/ Вт. Температура воздуха в доме с течением времени определяется по формуле: Тr-Тср=(Тr– Тср) t = 0 ехp[-t/(RC)], (2.25) где R = r∙ Ап -1; С = mс m - масса стенки, кг; с – удельная теплоёмкость (для бетона с = 840 Дж/(кг К). КПД солнечной батареи η = Ри/Ап∙G (2.26) ЭДС солнечной батареи где I - величина тока, А. Е =Ри/I2, (2.27) Ри – мощность солнечной батареи, Вт. Производительность солнечного дистиллятора П определяется: П = G/r, кг/м2∙день, (2.28) где G - поток излучения, МДж/м2 день; r - удельная теплота парообразования, 2,4 МДж/кг. ГИДРОЭНЕРГЕТИКАЕсли колесо турбины радиусом R вращается с угловой скоростью ω, то мощность турбины Р равна: Р = F∙R∙ω, (3.1) где F - сила, действующая на лопасть. Скорость набегающего потока: U2с = 2∙g∙H, м/с, (3.2) где Н - напор, м. Радиус колеса R = ½∙Uс/ω, м, (3.3) Размер лопасти rл (радиус): rл = R/(10-12), м, Максимальный КПД активных турбин η = 0.9. Коэффициент быстроходности £: £= Р1/2ω/1/2(g∙H)5/4 = Rл/R∙0,68(nį∙η)-1/2, (3.4) где ni - число сопел; ρ - плотность воды. Угловая скорость ω ω = £∙ρ1/2(g∙H)5/4Р-1/2, рад/с, (3.5) где Р – мощность турбины, Вт. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКАМассовое количество воздуха, проходящего через ометаемую площадь в единицу времени равно: m1 = ρ∙S∙V0,кг/c (4.1) где ρ - плотность воздуха, 1,2 кг/м3;. S - ометаемая площадь, πR2, м2; V0 - скорость ветра до ветроколеса, м/с. Сила, действующая на ветроколесо: F = m1∙ (V0 – V2),(кгм/с2), (4.2) где V2 - скорость ветра после ветроколеса, м/с. Скорость ветра V1 в плоскости ветроколеса: V1 = ½۰(V0 + V2), м/с., (4.3) Мощность ветрового потока: Р0 = ρ∙S∙V03/2, Вт., (4.4) Мощность ветроустановки равна той мощности, которую теряет ветер при прохождении ветроколеса: Р = m(V02 – V22)/2, Вт., (4.5) Быстроходность ветроколеса: Z = Vr/V0 = R∙ω/V0, (4.6) где Vr - окружная скорость конца лопастей, м/с; ω - угловая скорость ветроколеса. РАСЧЁТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КАДАСТРА. Для расчёта потребности в ветроустановках необходимо иметь исчерпывающую информацию о ветровой обстановке в районе как о природном процессе и преобразовании ветровой энергии в электрическую. Общеметеорологических характеристик для этого недостаточно. Получение таких характеристик является основной задачей ветроэнергетического кадастра. Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих выявить его энергетическую ценность и определить возможные режимы работы. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются: 1 - среднегодовая скорость ветра; – годовой и суточный ход ветра; – повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей; – максимальная скорость ветра; – распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности; – удельная мощность и удельная энергия ветра; – ветроэнергетические ресурсы района СРЕДНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА. Основной характеристикой ветра, определяющей его интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определённый период времени (сутки, месяц, год). По результатам обработки 10 – летних наблюдений по 168 метеостанциям северо – европейской части России, среднеквадратичное отклонение среднегодовой скорости повсеместно примерно одинаково и составляет 0,2 – 0,5 м/с. В приложении №1 дана среднемесячная скорость ветра на высоте флюгера 10 м. Среднегодовая скорость ветра определится: 12 V 1 12 V, г m i1 (4.7) где, Vm - среднемесячная скорость ветра, м/с. Повторяемость скоростей ветра, его среднемесячная вероятность по градациям приведена в Приложении. Однако, для расчёта длительности затиший и расчёта рабочих периодов ветроустановки на высотах 20 – 100 м, необходимо пользоваться табулированными в % и днях в зависимости текущих скоростей ветра от среднегодовых скоростей ветра. Максимальная скорость ветра при горизонтальном расположении оси ветроустановки ограничивается скоростью ветра 25 м/с. При превышении этой величины скорости ветра, ветроустановки выводятся из работы во избежание поломки. При вертикальной оси ветроустановки, она может работать при скорости ветра до 60 м/с. В расчётно – графической работе максимальную скорость ветра принять 20 м/с, так как при расчётной скорости 12 – 13 м/с выработка электроэнергии будет поддерживаться на этом уровне. Вертикальный профиль ветрового потока определяется по формуле: Vh2 h2 m h1 h V ( ) 1 (4.8) где – Vh1 – скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с; Vh2 – скорость ветра на высоте h2 ; m – показатель степени, 0,2 в РФ, (в США – 0,18) . В таблице 4.1 и на рисунке 4.1 приведены коэффициенты возрастания скоростей ветра на разных высотах. Таблица 4.1.
По этим данным. можно определить среднемесячные и среднегодовые скорости ветра на разных высотах. Рисунок 4.1. - Коэффициент возрастания средней скорости ветра в зависимости от высоты над землёй оси ветрового колеса. ПОВТОРЯЕМОСТЬ СКОРОСТЕЙ ВЕТРА Повторяемость скоростей ветра является одной из важнейших кадастровых характеристик. Она показывает, какую часть времени в течении рассматриваемого периода дули ветры с той или иной скоростью. С помощью этой характеристики выявляется энергетическая ценность ветра и находятся основные энергетические показатели, определяющие эффективность и целесообразность использования энергии ветра. В Приложении 2 приведена повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 10 м в процентах на различных участках Архангельской области. В Приложениях 3 и 4 приведены значения повторяемости скоростей ветра в зависимости от среднегодовой скорости в процентах и днях. Распределение рабочих периодов и периодов простоя ВЭУ по длительности. При анализе возможностей использования энергии ветра наряду с рассмотренными выше данными о средних скоростях ветра и закономерностях повторяемости скоростей большое значение имеют данные возможной длительности периодов работы ВЭУ и периодов простоя (энергетических затиший). Под рабочим периодом Тр понимается период времени, в течение которого скорость ветра больше минимальной рабочей скорости Vмин.р ≈ 3м/с, но меньше максимальной рабочей скорости Vмакс.р, определяемой из условия обеспечения безопасности работы ВЭУ. Под периодом простоя Тпр. понимается время, в течение которого скорость ветра меньше Vмин.р или больше Vмакс.р. n1 n2 n3 Тр Тпр Тпр Т (4.9) 1 1 1 где n1 – общее число рабочих периодов за год; n2 и n3 – число периодов простоя соответственно при скорости ветра меньше Vмин.р и больше Vмакс.р; Т – число часов в году – 8760. Графически (рис. n1 Tр 1 4.2) представляет собой площадь под кривой повторяемости ветра, ограниченную ординатами Vмин.р и Vмакс.р. Сумма отсечённой площади есть время простоя ВЭУ. Рисунок 4.2.- Кривая повторяемости средней скорости ветра по Мезенской метеостанции № 45 на высоте 10 м за 10 лет (пример). УДЕЛЬНЫЕ МОЩНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ ВЕТРОВОГО ПОТОКА. Удельная мощность ветрового потока на единицу площади ометаемой поверхности (1 м2) определится из формулы: V3 Руд.п0 . 2 (4.10.) где V0 – скорость воздушного потока, м/с; ρ – плотность воздушного потока, 1,25 кг/м3. Среднегодовая удельная энергия ветрового потока Wуд.п (энергия, протекающая за 1 год через 1 м2 поперечного сечения ометаемой площади) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. какую долю годового времени ti ветер дул со скоростью Vi: W 1 Тk tV3. (4.11) уд.п 2 i i i1 где k – число градаций ветра; Т – число часов в году, 8760 ч. Зная среднегодовую скорость ветра, его вертикальный профиль и повторяемость скорости ветра, можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом районе. Среднегодовая удельная мощность ветрового поток Рср Wуд Т (4.12) Мощность ветроустановки: РвэуРуд.пА0 , (4.13) где – η – коэффициент полезного действия, 0,85; ξ – коэффициент ветроиспользования, 0,45; А0 – ометаемая площадь, πd2/4, м2. На рисунке 4.3 в качестве примера показано, как формируется годовая сумма удельной энергии ветра (площадь под кривой Wуд) при среднегодовой скорости ветра 5,95 м/с. Из – за кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,7 – 1,9 раза. В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка за год, а ту мощность, которую она может обеспечить постоянно. Основными производителями ветроустановок за рубежом являются компании «Vestas» (Дания), «Enercon», “Simens” (Германия), «GE» (США), в РФ изготовляют ветроустановки НПО «Ветроэн», МКБ «Радуга» и др. При подборе ветроустановок желательно устанавливать не одну мощную ветроустановку, а несколько ветроустановок меньшей мощности. В Приложении № 5 приведены технические характеристики зарубежных и отечественных ветроустановок. Рисунок 4.3.- Повторяемость скоростей ветра и распределение годовой удельной энергии Wуд на высоте 30 м (пример): v1 – наиболее часто наблюдаемая скорость, v2 – средняя скорость ветра, v3 – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовую выработку энергии. Ветроэнергетические ресурсыПри оценке энергетических ресурсов рассматривают валовой, технический и экономический ресурсы. Валовой (теоретический) потенциал ветровой энергии района – это средне многолетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования. Полное использование энергии ветра на высоте h осуществляется ветроэнергетической системой, в которой ряды ветроэнергетических установок, ориентированных перпендикулярно направлению ветра, отстоят друг от друга на расстоянии (10…20)h, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками на площади территории S, м2, в год, представляет валовой потенциал территории Wв, кВт∙ч/год, который при удельной энергии ветра Wуд , кВт∙ч/(м2 ∙год), равен: где S=106м2; Wв W S уд20 , (4.14) Под техническими ветроэнергоресурсами понимается та часть валовых ресурсов, которая может быть использована с помощью имеющихся в настоящее время технических средств. Существующий уровень развития техники позволяет использовать энергию ветра с помощью отдельностоящих ВЭУ. Это ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью ветроколеса. Для оценки эффективности работы ВЭУ построим зависимость распределения удельной мощности ветра (рисунок 4.4). Площадь под кривой 1 представляет собой годовую удельную энергию ветра, приходящуюся на 1 м2 поперечного сечения ометаемой площади ветроколесом. В соответствии с критерием Бетца и теорией Н.Е. Жуковского в полезную работу может быть преобразована только часть ветровой энергии, проходящей через сечение ветроколеса, которая оценивается коэффициентом ε = 0,593. На практике коэффициент ε у лучших образцов ВЭУ достигает значений 0,45 – 0,48. Руд Вт/м2 5000 4500 |