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: 2 из 21

4000

3500

3000

2500

2000

^vmax р

v_р

v_р

1500 ₂

1000 4

500

0

1

^{3 v}min р

 ₂  2750

₁  5896

8760

₃  2864

, час

Рисунок 4.4. - Теоретическое распределение удельной мощности ветра (1), удельной мощности на валу ветроколеса (2) и фактическое распределение удельной мощности ВЭУ (3,4)
При скоростях ветра ниже минимальной рабочей скорости V_мин.р мощности ветроколеса не хватает на преодоление сил трения в узлах ВЭУ. В диапазоне скоростей от V_мин.р до расчётной скорости ветра V_р, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность N_н, использование энергии ветра осуществляется наиболее полно.

При дальнейшем усилении ветра вплоть до максимальной рабочей скорости V_макс.р, мощность ВЭУ поддерживается на постоянном уровне благодаря работе регулирующих устройств. Доля полезно используемой ветровой энергии при

этом снижается. При скоростях выше V_макс.р его энергия не используется. Мощность единичной ВЭУ в кВт определяется выражением:


N₀  4.8110^4  D² V³   _

_г,

(4.15)

где D – диаметр ветроколеса, м; V_р – расчётная скорость ветра, м/с;

η_ρ и η_г – КПД редуктора и генератора.

Для суммарной установленной мощности на 1 км² земной поверхности используется формула:

_1000_²

N₁  N_{0 10D} .
(4.16)

где D – диаметр ветроколеса, м. С учётом (4.15) будем иметь:

р
N₁  4.81V³   _р

_г,

(4.17)

Суммарная установленная мощность ВЭУ, размещённых на единице площади, не зависит от диаметра колеса, а определяется расчётной скоростью ветра V_р и техническим совершенством ВЭУ.

Равномерность обеспечения потребителей энергией.

Потребители электрической энергии должны получать электроэнергию равномерно в соответствии с потребностью в ней. При наличии периодов ветровых затиший, т.е. при скорости ветра меньше V_мин.р электроэнергия должна поступать от другого источника. Это может быть обеспечено двумя путями: аккумулированием энергии, включением дополнительного источника энергии или коммутацией с электросетью. По своему устройству и принципу действия аккумуляторы могут быть: механические, гидравлические, химические, тепловые, пневматические и комбинированные. При необходимости аккумулирования электроэнергии, выработка её не ограничивается расчётной скоростью, а ограничивается максимальной скоростью, т.е. 20 – 25 м/с. Вырабатываемая электроэнергия сверх потребности идёт на аккумулирование.

В настоящей расчётно – графической работе предлагается использовать для небольших и средних мощностей до 10 МВт электролитические аккумуляторы с большой удельной электроёмкостью. Для больших мощностей, свыше 10 МВт необходимо применить тепловой или гидравлический тип аккумулирующего устройства. Дополнительным источником энергии на период ветровых затиший может служить дизель – генераторная установка (ДГУ). Ветродизельные системы (ВДС) получили в мире достаточно большое распространение и служат для электроснабжения в отдалённых районах. Цель объединения ВЭУ и ДГУ – экономия дизельного топлива. В условиях нестабильного характера ветра и нагрузки существуют различные проблемы, зависящие от количества объединяемых ВЭУ и ДГУ, их единичной и суммарной мощностей, типа нагрузки.

В расчётно – графической работе необходимо предусмотреть возможность аккумулирования энергии или дублирования от другого источника энергии.

5.БИОЭНЕРГИЯ

Возможный энергетический выход установки на биогаз определяется:

E =η∙H_б∙V_б, (5.1)

где η - КПД горелочного устройства = 0,6;

Н_б - удельная объёмная теплота сгорания биогаза = 20 МДж/м³ при парциальном давлении 101000 Па;

V_б - объём получаемого биогаза.

Объём биогаза определяется из выражения:

V_б = с∙m₀ ,м³/сутки, (5.2) где с – выход биогаза из сухой массы (от 0,2 до 0,4 м³);

m₀ - масса сухого сбраживаемого материала, получаемого со всего стада (например, 2 кг/сутки на одну корову, умноженное на количество коров);

Объём жидкой массы, заполняющей биогазогенератор:

V_ж = m₀/ρ_м, (5.3)

где ρ_м - плотность сухого материала, распределённого в массе ρ_м = 50 кг/м³).

Объём биогазогенератора V_г:

V_г=V_ж∙t_г, (5.4)

где V_ж - скорость подачи сбраживаемой массы в генератор;

t_г - время пребывания очередной порции в генераторе (от 8 до 20суток). Соотношение 5.1 для чистого метана, входящего в биогаз, имеет вид:

Е = η∙H_б∙ V_б∙f_м, (5.5)

где Н_б - удельная теплота сгорания метана при нормальных условиях - 28 МДж/м³;

f_м - доля метана в биогазе (около 0,7).

5. АККУМУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛА

Требуемое количество тепла Q , запасённого в аккумуляторе:

Q = П∙n∙τ∙Z, МДж, (6.1)

где П - расход тепла в сутки, кВт; n – количество суток;

τ - продолжительность расхода тепла в сутки, час; Z - переводной коэффициент 3.6 мДж/кВт∙ч.
Требуемое количество воды:

V = Q/(∙c∙∆T), м³, (6.2)

где  - плотность воды, кг/м³;

с - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг К;

∆Т - разность температур начальной и конечной аккумулятора, К.

Глубина h ёмкости аккумулятора, м:

h = V/A, м, (6.3)

где V – объём,м³; А – площадь,м².

Термическое сопротивление R между аккумулятором и окружающей средой:

R = (τ сек.)/(1,3∙Vм³∙ c), K/Bт, (6.4) Удельное термическое сопротивление:
r = R∙A, м² K/Bт, (6.5)

Толщина покрытия d на верхней крышке ёмкости:

d= r∙λ, м, (6.6)

где λ - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, (пенополистирол, λ = 0,04 Вт/(м∙К)

Плотность энергии q, запасённой в аккумуляторе:

q = Q/V, МДж/м³, (6.7)

6. МЕХАНИЧЕСКОЕ АККУМУЛИРОВАНИЕ

Кинетическая энергия вращающегося тела Е равна:

Е= I∙ω²/2, (7.1)

где I - момент инерции тела относительно его оси вращения; ω - угловая скорость, рад/с

Для однородного диска момент инерции равен:

I = m∙a², (7.2)
где m - масса диска; а - радиус диска.

Плотность энергии, запасаемой однородным диском:

W_м = Е/m = a²∙ω²/2, (7.3)

Время между зарядками маховика:

t = E/P, c, (7.4)
где - Е (Дж), Р (Дж/с).

7. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ.

Потери тепла трубопроводом определяются выражением:

Рт = - λ∙А∙∆Т/х, (8.1)

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К; А - площадь,

∆Т - разность температур; х - толщина изоляции, м.

8. ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ.

В пустынных районах необходимо снабжение питьевой водой, пресной водой для полива и т.д. Многие пустынные районы имеют подземные запасы

солёной воды и обычно, дешевле опреснять воду, чем её привозить. Так как в пустынях облучённость поверхности Земли высокая, можно использовать солнечную энергию для опреснения воды.

Самым простым устройством является солнечный дистиллятор – бассейн (рисунок 9.1). Он состоит из неглубокого бассейна с чёрными стенками и дном, заполненного водой и накрытого прозрачной паронепроницаемой крышкой. Крышка наклонена по направлению к потоку излучения. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой испаряется. Водяной пар поднимается вверх и конденсируется на холодной крышке. Затем капли сконденсированной влаги скатываются в приёмный жёлоб.



Рисунок 9.1. - Потоки тепла в солнечном дистилляторе.

Обозначения: д - основание; и - испарение; к - конвекция; из - излучение; в - вода; с - окружающая среда; 1- нагретая поверхность; 2- холодная стенка; 3- жёлоб.
Чтобы определить производительность реального солнечного дистиллятора, необходимо вычислить, какая часть приходящей солнечной энергии

расходуется на испарение. Тепловой баланс для единицы поверхности воды определится:
m∙c∙dT_в /dt= α_в∙τ∙G- q_в –q_и– q_к – q_ис , (9.1) где q_ис – теплоперенос при испарении.

Удельный радиационный поток определится:

q_и = 4σ_в [(Т_в + Т_д)/2]³∙ (Т_в – Т_д), (9.2) где Т_д – температура крышки;

Ϭ_в – постоянная Стефана – Больцмана.

Конвективный тепловой поток запишем в виде:

q_к = к∙(Т_в – Т_д), (9.3)

где к– коэффициент теплопередачи Вт/(м²∙К).

Результирующий тепловой поток на единицу площади:

q_к= 2∙ρ∙с∙(Q/A)∙ΔТ (9.4)

Множитель 2 появляется вследствие того, что происходит движение нагретого пара вверх и охлаждённого вниз. Результирующую массу пара m΄, которая переносится через единицу площади в единицу времени представим в виде:

W= m′/A= 2∙(Q/A)Δχ = h_к∙ρ^-1∙c^-1∙Δχ, (9.5) где χ – концентрация пара.

Тепловой поток через единицу площади, возникающий вследствие испарения воды, равен:
q_т=W∙r, (9.6)

где r– удельная теплота парообразования воды.

Для дистиллятора, показанного на рисунке 9.1:

q_т = к∙r∙ρ^-1 c^-1∙[χ(Т_в) –χ(Т_д)]. (9.7)


Для размера х:

к = Nu∙λ/x (9.8)
λ – теплопроводность воздуха (≈ 0,03 Вт/м∙К) Nu – число Нуссельта

Ra - число Рэлея

к = 0,062 (x/ λ) Ra ^1/3, (9,9)

Ra = g∙β∙x³ (T_в – T_д) λ ^-1∙υ^-1 (9.10)

Здесь для определения (ρ, λ и т.д.) можно пользоваться данными для сухого воздуха.

Доля тепла, идущего на испарение, быстро возрастает при увеличении температуры воды.

9.ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Сухие скальные породы.


Рисунок 10.1 - Структура системы из сухих горных пород.

Полное полезное теплосодержание скального грунта до глубины равно:

где: ρ – плотность;

Е_о = ρ_г∙A∙c_г∙Ж∙ (z₂ – z₁)²/2 (10.1.)

с - удельная теплоёмкость;

Ж = dT/dz - температурный градиент; А – площадь;

Т_о – поверхностная температура;

Т₁ – минимальная полезная температура;

Т₂ – температура на максимальной глубине.
Пусть средняя температура горячих скальных пород равна θ,тогда,

θ = (Т₂ – Т₁)/2 = Ж∙(z₂ – z₁)/2 (10.2.)

В этом случае Е_о = С_г∙θ,

где С_г – теплоёмкость горных пород, залегающих в слое между z₁ и z₂:

С_г = ρ_г∙A∙c_г∙ (z₂ – z₁). (10.3)

Допустим, что тепло извлекается из пород равномерно, пропорционально температуре, с помощью потока воды, имеющего объёмный расход Q. плотность ρ_в, удельную теплоёмкость с_в. В этом процессе вода нагревается до температуры θ.

θ = θ_о∙е^-t/τ. (10.4.)

Е = Е_о∙е^-t/τ. (10.5.)

Постоянная времени τ определится:

τ = ρ_в∙А∙с_г∙(z₂ – z₁)/(Q∙ρ_в∙с_в). (10.6.)

Естественные водоносные пласты.

Рисунок 10.2 - Профиль горячего водоносного слоя.

В случае естественных водоносных пластов, залегающих на значительной глубине, источник тепла лежит внутри слоя воды. Часть пласта занята порами (коэффициент пористости р), остальное пространство занято скальной породой с плотностью ρ_r.

Предположим, что толщина водоносного слоя (h) много меньше глубины его залегания (z₂) и что соответственно температура всей массы жидкости равна Т₂. Минимальная полезная температура равна Т₁. Характеристики источника тепла определяются так, как это делалось для сухих скальных пород.

Т₂ = Т_о+ (dT/dz)∙z = T_o +Ж∙z, (10.7.)

E_o/A = C_г∙(T₂ – T₁), (10.8.)

где С_г = [р∙ρ_в∙с_в + (1 – р)∙ρ∙_гc_г]∙h. (10.9.)

Определим отбор тепла при объёмной скорости Q и величине θ, превышающей T₁
Q∙ρ_в∙с_в∙θ = - С_г∙dθ/dt. (10.10)

Е = Е_оехр(-t/τ_а), (10.11.)

τ_а = С_г/(Q∙ρ_в∙с_в) = [р∙ρ_в∙с_в+ (1 – р)∙ρ_г∙c_г]h/(Q∙ρ_в∙с_в). (10.12.)

9. ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВА

Приливной потенциал Э_пот. определяется по формуле Л.Б. Бернштейна:

Э_пот. = 1,97∙10⁶∙R_ср²F, кВт∙ч, (11.1)

где Rср – средняя величина прилива, м; F – площадь бассейна, км².

Задача 1.