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

• Название: Методическое пособие по выполнению расчётно графических и контрольных работ. Алматы введение
• Дата: 30.01.2023
• Размер: 373.54 Kb.
• Имя файла: Задачи по нетрадиционным источникам энергии(1).docx
• Тип: Методическое пособие; #912420
• страница: 1 из 21

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АКАДЕМИЯ ЛОГИСТИКИ И ТРАНСПОРТА

Возобновляемые источники энергии

Учебно–методическоепособиеповыполнениюрасчётно–графическихиконтрольныхработ.

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.

2. ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

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

Qс = τпр ∙ αпг∙ Ап ∙ G, Вт,

(2.1)

где G - облученность приемника, Вт/м²; А_п - площадь освещенной поверхности, м²;

τ_пр - коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приемную поверхность от ветра, при одинарном остеклении принимается 0,9, при двойном – 0,8;

α_пг - коэффициент поглощения приёмной поверхностью солнечного излучения, 0,85 - 0,9.

В процессе поглощения температура приёмной поверхности повышается. Повышение температуры приёмника Т_пр над температурой окружающей среды Т_ср приводит к возникновению потока от приёмника, причём скорость теплоотдачи равна (Т_пр – Т_ср)/R_т, где R_т – термическое сопротивление. Теплоотдача приемника в окружающую среду:

Qт = Ап∙(Тпр - Тср)/Rт,Вт,

(2.2)

где Т_пр - температура приёмника, °С;

Т_ср - температура окружающей среды, °С; R_т - термическое сопротивление, К/Вт.

Суммарный поток тепла Q_Σ, поступающего к приёмной площадке, определяется балансом (уравнение солнечного коллектора):

QΣ = τпр ∙ αп∙ Ап ∙ G-[(Tпр-Тср)/Rт] = ηи ∙ Ап ∙ G,

(2.3)

где η_и - коэффициент захвата излучения, 0,85.

Коэффициент к определяет долю суммарного потока Q_Σ, 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 Т_ж - 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 А_п 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 С_ж - 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 R_п - 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 R_к,п-с – конвективное термическое сопротивление между приёмником и стеклом;


О
R_из.п-с – радиационное термическое сопротивление между приёмником и стеклом.

Рисунок 2.2 - Закрытый чёрный нагреватель

Т - температура: Т_н - неба, Т_ср - среды, Т_с - стекла, Т_ж - жидкости, Т_д - 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∙(Т2-Т1),

(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 ͦ; Q_р – 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 m_в 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 Т_r – комфортная температура в помещении, °С; А_п – площадь приёмника, м²;

G –интенсивность солнечного излучения, Вт/м². Если температура в комнате постоянна, то:

τ_пр∙α_п∙G=(Т_r-T_ср)/r, (2.24)

где τ_пр - пропускание стекла, 0,9;

α_п - 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:
Т_r-Т_ср=(Т_r– Т_ср) _{t = 0} ехp[-t/(RC)], (2.25) где R = r∙ А_п ^-1;

С = mс

m - масса стенки, кг;

с – удельная теплоёмкость (для бетона с = 840 Дж/(кг К).

КПД солнечной батареи
η = Р_и/А_п∙G (2.26)

ЭДС солнечной батареи

где I - величина тока, А.

Е =Р_и/I², (2.27)

Р_и – 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.

3. 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:


U²_с = 2∙g∙H, м/с, (3.2)

где Н - напор, м.

Радиус колеса


R = ½∙U_с/ω, м, (3.3)

Размер лопасти r_л (радиус):

r_л = R/(10-12), м,

Максимальный КПД активных турбин η = 0.9. Коэффициент быстроходности £:
£= Р^1/2ω/^1/2(g∙H)^5/4 = R_л/R∙0,68(n_į∙η)^-1/2, (3.4) где n_i - число сопел;

ρ - плотность воды.

Угловая скорость ω

ω = £∙ρ^1/2(g∙H)^5/4Р^-1/2, рад/с, (3.5) где Р – мощность турбины, Вт.

4. 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 = V_r/V₀ = R∙ω/V₀, (4.6)

где V_r - 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;

2. 
   – годовой и суточный ход ветра;
   
3. 
   – повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;
   
4. 
   – максимальная скорость ветра;
   
5. 
   – распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;
   
6. 
   – удельная мощность и удельная энергия ветра;
   
7. 
   – 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

i1

(4.7)

где, V_m - 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:

V_h2 

h_{2 m}

h1


h

V (

)
1

(4.8)

где – V_h1 – скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с; V_h2 – 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 Т_р понимается период времени, в течение которого скорость ветра больше минимальной рабочей скорости V_мин.р ≈ 3м/с, но меньше максимальной рабочей скорости V_макс.р, определяемой из условия обеспечения безопасности работы ВЭУ. Под периодом простоя Т_пр. понимается время, в течение которого скорость ветра меньше V_мин.р или больше V_макс.р.

n₁ n₂ n₃

_Т_р _Т_пр _Т_пр 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 V_мин.р и больше V_макс.р; Т – число часов в году – 8760.

Графически (рис.
n<sub>1

</sub>T_р

1
4.2) представляет собой площадь под кривой

повторяемости ветра, ограниченную ординатами V_мин.р и V_макс.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.п^0 ^.

2

(4.10.)

где V₀ – скорость воздушного потока, м/с;

ρ – плотность воздушного потока, 1,25 кг/м³.

Среднегодовая удельная энергия ветрового потока W_уд.п (энергия, протекающая за 1 год через 1 м2 поперечного сечения ометаемой площади) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. какую долю годового времени t_i ветер дул со скоростью V_i:

W ¹ Т_k
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.п^А0 ^,

(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 W_уд) 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 W_уд 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 W_в, кВт∙ч/год, который при удельной энергии ветра W_уд , кВт∙ч/(м² ∙год), равен:

где S=10⁶м²;

W_в 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