Главная страница
Навигация по странице:

  • АКАДЕМИЯ ЛОГИСТИКИ И ТРАНСПОРТА

  • Задачи по нетрадиционным источникам энергии(1). Методическое пособие по выполнению расчётно графических и контрольных работ. Алматы введение


    Скачать 373.54 Kb.
    НазваниеМетодическое пособие по выполнению расчётно графических и контрольных работ. Алматы введение
    Дата30.01.2023
    Размер373.54 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаЗадачи по нетрадиционным источникам энергии(1).docx
    ТипМетодическое пособие
    #912420
    страница1 из 21
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21

    МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

    АКАДЕМИЯ ЛОГИСТИКИ И ТРАНСПОРТА









    Возобновляемые источники энергии



    Учебнометодическоепособиеповыполнениюрасчётнографическихиконтрольныхработ.

    Алматы
      1. ВВЕДЕНИЕ



    Энерговооруженность 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.
      1. ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА



    Для использования солнечной энергии в основном применяются солнечные коллекторы. Солнечный коллектор используется для нагрева жидкости. Поток солнечной энергии Qс, поглощаемой поверхностью приёмника, составляет:



    Qс = τпр αпг Ап G, Вт,

    (2.1)


    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 пр Тср)/Rт, где Rт термическое сопротивление. Теплоотдача приемника в окружающую среду:


    Qт = Ап∙(Тпр - Тср)/Rт,Вт,

    (2.2)



    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):


    QΣ = τпр αп Ап G-[(Tпрср)/Rт] = ηи Ап G,

    (2.3)

    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



    Qж= к QΣ,

    (2.4)

    Поток тепла при нагревании массы жидкости m:


    Qж = m c∙dTж/dt,

    (2.5)

    где Тж - температура жидкости, °С;

    с - теплоёмкость жидкости, Дж/(кг К).

    Поток тепла при нагревании жидкости, массовый расход которого через приёмник m1:

    Qж = m1∙с(Т2 Т1),

    (2.6)

    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:

    q = ∆T/r, Вт/м2,

    (2.7)

    Q = q∙А= ∆Т∙А/r, Вт

    (2.8)



    Rт = r/A, К/Вт, r = R∙A, м2∙К/Вт

    (2.9)

    где r - удельное термическое сопротивление. м2∙К/Вт

    q = α∙∆T,

    (2.10)

    где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К).



    α = 1/r,

    (2.11)

    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:



    Q = - λ∙Aп∙∆Т/∆

    (2.12)

    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:



    Rn = ∆x/λAп

    (2.13)

    и удельное термическое сопротивление:


    rn = Rn∙Ап = ∆х/λ,

    (2.14)

    У неподвижного воздуха
    λ = 0,03 Вт/(м∙К).

    Время, необходимое для повышения температуры:



    ∆t =∆Т/(dTж/dt),c

    (2.15)

    Сж=m∙с,

    (2.16)

    где Сж - теплоёмкость жидкости; с - удельная теплоёмкость;

    m- масса жидкости.

    Уравнение теплового баланса для рис. 2.1.



    m∙c∙dTж/dt=τпрαпA∙G-(Tж–Тср)/Rп

    (2.17)

    где Rп - полное термическое сопротивление промежутка между приёмной поверхностью резервуара и окружающим воздухом.


    Rп = [(1/Rк,п-с) + (1/Rиз,п-с)]-1,К/Вт,

    (2.18)

    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:


    Rп = [(1/Rк-с) + (1/Rиз-с)] ˉ¹, К/Вт,

    (2.19)


    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:


    Ри=ρ∙с∙ Qр∙(Т21),

    (2.20)

    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:



    W=(m-m0)/m0,

    (2.21)


    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:

    mв∙r=∙c∙V(T1–T2),

    (2.22)

    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:

    m∙c∙dTr/dt=τпр∙αп∙G∙Aп-(Tr Tср)/Rт,

    (2.23)

    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:
    Тrср=(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 = Рип∙G (2.26)

    ЭДС солнечной батареи




    где I - величина тока, А.

    Е и/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.


      1. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА


    Если 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.
      1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА



    Массовое 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;

    1. годовой и суточный ход ветра;

    2. повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

    3. максимальная скорость ветра;

    4. распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

    5. удельная мощность и удельная энергия ветра;

    6. 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
    V1 12 V,




    г m

    i1

    (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.

    Высота, м

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    Коэффициент возрастания

    1,0

    1,15

    1,25

    1,32

    1,38

    1,44

    1,48

    1,53

    1,57

    1,6

    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

    i1

    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:

    РвэуРуд.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 ресурсы


    При 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

      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21


    написать администратору сайта