Котельные. Возобновляемой энергетики

• Название: Возобновляемой энергетики
• Анкор: Котельные
• Дата: 16.03.2023
• Размер: 137.43 Kb.
• Имя файла: 4,1.docx
• Тип: Документы; #994750

Необходимо выполнить практическую работу по теме возобновляемой энергетики:

Методика определения солнечных энергетических ресурсов и оценка эффективности использования солнечных энергетических установок на территории РК:

1. Изложить методику определения солнечных энергетических ресурсов

Перед установкой приемника солнечной энергии необходимо определить, какое количество энергии требуется собрать, как предполагается использовать собранную энергию. И только после этого можно рассчитать размер приемника.

Требуемые данные должны быть получены в результате измерений лучистой энергии, проводимых в течение нескольких лет на месте установки будущего приемника или теплообменника.

Измерения солнечной энергии обычно производят пирогелиометрами, которые дают направленный поток G^*_b, или пиранометрами, измеряющими полный поток G_tc (рис. 2.3). Однако с целью более объективной оценки солнечной радиации для определенного места необходимо оценить метеорологические данные за значительные периоды времени.

Кроме регулярных изменений облученности, показанных на рис. 2.7. и 2.10, а, имеют место также значительные спорадические изменения. Среди них наиболее важно учитывать флуктуации, имеющие место в течение дня (см. например, 2.10, б), так как они влияют на количество накопленной энергии, которая необходима для полноценной работы солнечной энергетической системы. Таким образом, данные даже подробнейшей регистрации облученности можно использовать для прогнозирования только в статистическом смысле. Вот почему при проектировании солнечных энергетических систем обычно опираются на приближенные средние данные, такие, как среднемесячная суточная облученность.

Очень часто в качестве меры облученности используют продолжительность светлого времени суток. Все главные метеорологические станции ежедневно замеряют время n (в часах), в течение которого Солнце светит ярко. Эти данные имеются за несколько десятилетий. Обычно измерения производятся с помощью самописца, в котором специально размеченные карты располагаются за линзой. Когда солнце светит ярко, в карточке прожигается отверстие. Количество ясных солнечных часов n определяется из размера отверстия, прожженного в карточке данного дня.

Связь облученности с количеством ясных солнечных часов обычно записывают в таком виде:

Н = Н_о[a + b (n/N)] , (2.17)

где Н_о – лучистая энергия для данного дня, приходящаяся на единицу горизонтальной площадки в ясный день (см. рис. 2.7); N – продолжительность данного дня.

К сожалению, было установлено, что имеет место разброс коэффициентов a и b, в зависимости от места наблюдения. Коэффициенты корреляции сильно отличаются от полученных на основании формулы (2.17).

Вообще говоря, было предложено множество других климатических соотношений, связывающих облученность поверхности с такими переменными, как широта местности, температура окружающего воздуха, влажность и облачность. Большинство из них имеют малую точность и узкий диапазон применимости.

Как отмечалось ранее, доля приходящего излучения, которое может быть сфокусировано на приемнике, зависит от облачности и запыленности атмосферы. Эти факторы оценивают с помощью индекса ясности К_т, который представляет собой отношение лучистой энергии, пришедшей на горизонтальную поверхность за определенный период времени (обычно за один день), к энергии, пришедшей за тот же период времени на параллельную поверхность, расположенную вне атмосферы:

К_т = Н_h /H _oh . (2.18)

Самые ясные дни характеризуются оптической массой m = 1 и соответственно К_т  0,8. Для таких дней доля диффузной составляющей излучения равна примерно 0,2: она увеличивается до 1,0 в пасмурные дни (К_т =0). В солнечные дни при наличии в атмосфере значительного количества аэрозолей, или при небольшой облачности, рассеянная составляющая может достигать 0,5.

Долю направленной составляющей можно найти из выражения

Н_bh /H _th = 1 – Н_dh /H _th . (2.19)

Из выражения для Н_bh /H _th видно, что фокусирующим системам трудно успешно работать в условиях большой облачности. Однако следует заметить, что такие системы следят за Солнцем, и поэтому они собирают большую часть потока, идущего по нормали к поверхности.

Известно, что уравнение (2.8) описывает угол падения прямых солнечных лучей на произвольную плоскость. Но для направленной компоненты имеем

G_1b / cosθ₁ = G _2b / cosθ₂ = G_b^* . (2.10)

Диффузную компоненту, однако, так же точно рассчитать нельзя.

В специальной литературе [16] обсуждаются различные усовершенствования методов расчета диффузной компоненты. Хотя разброс составляет более 10%, результаты являются весьма поучительными.

Так на рис. 2.16 показана зависимость изменения от времени года рассчитанного потока излучения, приходящего под разными углами на поверхность, расположенную на 45^о северной широты при индексе ясности К_т = 0,5.



Рис. 2.16. Зависимость средней суточной облученности Н поверхности при различных углах ее наклона от времени года. Коэффициент отражения поверхности Земли 0,2

2. Изложить основные критерии оценки эффективности использования солнечных энергетических установок на территории РК

Солнце является самым мощным возобновляемым источником энергии для нашей планеты (для жизни на земле): количество энергией падающее на поверхность земли от солнца за день превосходит мировое потребление за год. Солнечная энергия может использоваться как для производства электроэнергии, так и для обогрева и освещения жилых и производственных помещений, обогрева воды. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько угодно. Она экологичнее – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов. Являясь экологически чистым возобновляемым источником энергии не выделяющем двуокись углерода и не зависящее от ископаемых ресурсов, солнечная энергетика способствует диверсификации источников энергии, улучшению энергоэффективности и экономии средств и ресурсов. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также рождается от действия Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле. Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Весьма заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая "ничтожная" величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного небольшого озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Существуют различные технологии для преобразования и использования солнечной энергии. Если фотоэлементы и концентрационные станции применяются для производства электроэнергии, то пассивная солнечная энергетика для освещения и отопления помещений, нагрева воды. Потенциал солнечной энергетики в Казахстане оценен в 2,5 млрд.кВтч в год.

Станции основанные на фотоэлементах (фотовольтаические)
Технология основанная на фотоэлементах позволяет напрямую преобразовывать солнечное излучение в электроэнергию. Фотоэлемент или фотовольтаический элемент представляет собой полупроводниковый прибор, который при облучении его солнечным светом вырабатывает электрический ток. Если в начале фотоэлементы изготавливали из кристаллического кремния, то в последующем применили тонкие пленки поликристаллического кремния и теллурида кадмия, а также различные другие принципы и материалы включающие красители, полупроводящие пластики и органические вещества. Преимущество источников энергии основанных на фотоэлементах заключается в широких возможностях их применения: от наручных часов и калькуляторов до космических станций и солнечных электростанций.

                              

Концентрационные солнечные электростанции
Концентрационная технология использует систему зеркал для перенаправления и концентрации солнечной энергии с целью нагрева воды. Пары нагретой воды вращают турбину генератора, и вырабатывается электроэнергия, как и в обычных ТЭС. Различают три вида концентрационных станций: линейные или параболические, тарельчатого типа и башенные станции.

Линейные концентрационные системы имеют длинные параболические зеркала, предназначенные для нагревания теплоносителя, который циркулирует по трубкам, установленных вдоль зеркала в фокусе параболы. Теплоноситель отдает тепло воде, и она подается на лопасти турбины.

                               

Концентраторы тарельчатого типа состоят из зеркал в форме тарелок, расположенных радиально, и направляющих солнечную энергию в теплоприемник двигателя Стирлинга. Нагретая вода двигает поршни, и механический момент вращает генератор который вырабатывает электричество.

                                 

Башенные станции состоят из большого количества гелиостатов – прямоугольных зеркал площадью несколько квадратных метров, которые фокусируют солнечные лучи на резервуаре с водой расположенном на башне. Резервуар покрыт черным светом для поглощения тепла. Дальше нагретая вода по известной схеме вращает турбины, и вырабатывается электроэнергия.

                       Пассивная энергетика
Эффективность освещения, обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений может быть значительно улучшена за счет применения пассивной солнечной энергетики. Здание с пассивной системой отопления может иметь большие стены и окна направленные на юг, что позволяет аккумулировать тепло днем, и остывая обогревать помещение ночью. Также применяются различные материалы и конструкции для увеличения эффективности этих процессов.

 

                                    

    Пассивное солнечное отопление осуществляется за счет окон, световых колодцев – окна в потолке и проектирования внутреннего пространства здания не преграждая естественное освещение.

Естественная вентиляция, карнизы, испарительные охладители могут представлять пассивные солнечные системы охлаждения.

Пассивные системы для нагрева воды состоят из двух частей: солнечного коллектора и емкости для хранения нагретой воды. Коллектор представляет собой прямоугольную коробку с прозрачной верхней стекой направленной на солнце. В ней содержаться трубки закрепленные на затемненной пластине для поглощения солнечного тепла. Вода, проходя через трубки, нагревается и храниться в теплоизолированной емкости.

                              

Однако, несмотря на все достоинства использования солнечной энергии, у этого способа получения энергии также есть ряд недостатков:

1. Все отражающие или поглощающие солнечное излучение поверхности нуждаются в постоянной очистке от пыли и других видов загрязнений.

2. Количество получаемой энергии зависит от времени суток и погодных условий. При затемнении необходимость в электроэнергии возрастает, а преобразование солнечной энергии в этот момент не происходит, поэтому многое зависит от качества используемых на солнечных электростанциях аккумуляторов.

3. Возможен сильный нагрев нижних слоёв атмосферы в местах расположения электростанций.

4. Чрезмерное количество мощных солнечных электростанций теоретически может привести к изменению климата из-за изменения отражательной способности поверхности Земли.

5. Солнечные электростанции занимают слишком большие площади земной поверхности. Однако при расположении фотоэлектрических элементов на высоте более 2 метров, пространство под ними можно использовать в других целях. Второй вариант экономии пространства – размещение электростанций в горах или в море.

6. Высокая стоимость любых элементов для преобразования энергии солнца.

7. Снижение эффективности фотоэлектрических элементов в случае сильного нагрева и необходимость создания дополнительных систем охлаждения.

8. Недолговечность фотоэлектрических элементов (30-50 лет) и, как следствие, необходимость их специфической утилизации из-за содержащихся в них опасных элементов.

3. На основе обзора солнечных энергетических установок определить наиболее целесообразные для использования на территории РК

Потенциал солнечной энергетики в Казахстане

Перспективные регионы Казахстана для освоения солнечной энергии
  Потенциал неисчерпаемой энергии в Казахстане оценивается в следующих объемах:
• энергия ветра - 1820 МВт•ч/год;
• солнечная энергия – 1300–1800 кВт•ч/год;
• гидроэнергия – 170 МВт•ч/год;
• геотермальная энергия в объемах, определенных по обследованным локальным точкам.

                                Потенциал солнечной энергии
    Солнечное излучение увеличивается от севера к югу. Северные районы Казахстана в меньшей степени подвергаются воздействию солнечного излучения. Поэтому перспективными для реализации проектов по солнечной энергетике являются южные регионы страны, особенно предгорные и горные районы, где количество пасмурных дней намного меньше, чем на равнинах. Технология использования  солнечной энергии имеет несколько направлений, в том числе:
• прямое преобразование энергии излучения в видимой части спектра в электрическую, осуществляемое фотопреобразователями;
• получение низкопотенциальной энергии за счет преимущественного использования длинноволновой части спектра, применяемого для получения горячей воды;
• получения концентрированной тепловой энергии для производства водяного пара высоких параметров с последующим использованием его в паротурбинном цикле.
Для производства фотопреобразователей Казахстан располагает большими запасами кремния и технологиями, перспективными для международного сотрудничества. В республике имеются оригинальные разработки гелиоколлекторов, но в промышленных масштабах они не производятся.

Казахстан, являясь крупнейшей центрально-азиатской республикой, имеет большой потенциал солнечной энергетики. Количество солнечных часов в год составляет 2,200-3,000, а энергия солнечного излучения равняется 1,300-1,800 кВт/м2/год. Несмотря на очень выгодные условия, ресурс солнечной энергетики почти не используется.

В таблице приведены данные о месячных и годовых значениях солнечного излучения (энергетической освещенности) для трех районов: Форт-Шевченко (на побережье Каспийского моря), Аральского моря (вблизи Аральского побережья) и Алма-Ата (на юго-востоке страны).