Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие
.pdf
Рис. 5. Жидкостная комбинированная двухконтурная низкотемпературная
система солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и
жидкостным теплоаккумулятором:
1 – параболоцилиндрический концентратор; 2 – жидкостный теплоаккумулятор;
3 – дополнительный теплоисточник; 4 – термометр; 5 – контур системы
отопления; 6 – регулирующий вентиль; 7 – циркуляционный насос
Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является
способность выработки теплоты с температурой теплоносителя до 100 °С и
даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции;
необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли;
работу только в светлое время суток, что влечет потребность в аккумуляторах
большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за
ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки
сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем
солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее
время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления
применяют плоские гелиоприемники.
Солнечные электростанции
Все активнее идет преобразование солнечной энергии в электроэнергию.
Здесь используются два метода – термодинамический и фотоэлектрический,
причем последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая
мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.
Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок
поступает за счет международной финансовой поддержки в развивающиеся
страны, где они наиболее необходимы.
31
Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух типов:
термодинамические и фотоэлектрические. Термодинамические СЭС основаны
на нагревании теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных
оптических систем с дальнейшим преобразованием тепловой энергии в
механическую и далее в электрическую. Фотоэлектрические станции
используют эффект прямого преобразования солнечного излучения в
электроэнергию, открытый в 1839 году французским физиком Беккерелем.
Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя
может быть осуществлено по трём принципам: применение рассредоточенных
коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней,
построение солнечного коллектора с центральной трубой. Солнечные
электростанции с рассредоточенными коллекторами имеют на сегодняшний
день наибольшее распространение. Преобразование солнечного излучения в
тепловую энергию теплоносителя осуществляется множеством сравнительно
небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо
ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражательную
поверхность параболической формы. В фокусе концентраторов
устанавливается приемное устройство, в котором солнечная энергия передаётся
жидкому теплоносителю. Нагретая жидкость от всех коллекторов
консолидируется, и ее тепловая энергия используется для получения
механической энергии в соответствующих тепловых двигателях. В качестве
теплоносителя может использоваться вода, которая под воздействием
концентрированного солнечного излучения преобразуется в пар, используемый
в паровой турбине. Часто теплоносителями в солнечном контуре являются
различные химические вещества с высокой теплоемкостью и температурой
кипения (например, натрий, диссоциированный аммиак, углеводородный оксид
дифениля и др.). В последнем случае в состав СЭС входит теплообменник,
предназначенный для получения водяного пара во вторичном контуре. Далее
пар высокого давления поступает на лопатки турбины. Использованный пар
после турбины концентрируется и возвращается в энергетический блок, где
вода вновь преобразуется в пар.
32
В 70-е годы XX века Советским Союзом в Крыму и Соединенными
Штатами в Калифорнии построены паротурбинные СЭС, устройство которых
схематически показано на рис. 6.
Рис 6. Схема СЭС:
1 – гелиостаты; 2 – башня; 3 – солнечный котел; 4 – теплоаккумулятор;
5 – трубопровод острого пара; 6 – трубопровод питательной воды
На башне 2 установлен котел 3, на котором фокусируется солнечное
излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности зеркаламигелиостатами. Гелиостаты 1 отслеживают движение Солнца по небосводу.
Зеркала каждого гелиостата площадью в несколько квадратных метров
направляют солнечные лучи на стенки теплообменника котлоагрегата, в
котором вырабатывается пар с температурой до 510 °С. По паропроводу 5 пар
направляется в машинный зал, где электроэнергия производится в
традиционном паротурбинном цикле. Установка имеет накопитель теплоты 4 –
емкость объемом в несколько тыс. м3, заполненную щебнем, который
нагревается «острым» паром в часы максимума интенсивности солнечного
излучения и отдает теплоту после захода Солнца.
33
Для обеспечения высокой эффективности работы солнечной
Aqq
спогл
с
q
электростанции зеркала гелиоконцентратора должны быть подвижными.
Автоматизированная система слежения и ориентации предусматривает
постоянную концентрацию солнечных лучей от отражающих зеркал на
поверхности парогенератора. Следует заметить, что из-за низкой плотности
солнечного излучения для солнечных электростанций требуются значительные
земельные площади под систему зеркал - концентраторов. Так, например, для
мощности 200 МВт необходимы площади от 9 до 13 квадратных километров.
Для паротурбинных СЭС характерны высокие капитальные затраты,
главным образом из-за высокой стоимости автоматизированных зеркалгелиостатов. Стоимость 1 киловатта установленной мощности на башенной
Крымской СЭС более чем в 10 раз превышает характерную для традиционных
установок. Экономичнее оказалось другое техническое решение, реализованное
в США в 1985 году. Вместо дорогих стеклянных зеркал здесь используется
пленка с металлическим напылением, натянутая на обручи диаметром 1,5
метра. Создавая под пленкой вакуум, придают ей параболическую форму.
Эти вогнутые зеркала фокусируют солнечное излучение на трубы, в
которых нагревается и испаряется питательная вода паротурбинной установки.
Таким образом, этой СЭС башня с баком-парогенератором не нужна.
Стоимость одного киловатта установленной мощности снижена по сравнению с
Крымской СЭС в 4 раза, себестоимость киловатт-часа произведенной энергии
приблизилась к характерной для угольных станций.
2.4. Расчет плоского солнечного коллектора
Плотность теплового потока солнечного излучения, воспринятого
коллектором, составляет
,
где
– плотность теплового потока солнечного излучения, Вт/м2;
A – коэффициент поглощения.
34
Тепловой поток солнечного излучения, воспринятый коллектором,
о.с.к.тепл.
TTkq
о.с.к
,TT
из
из
возд
возд.
ст.
ст.
нар
1
1
k
нар
извозд.ст.
,,
из.возд,.ст.
,,
пов
T
тепл.
о.с.пов.
q
TT
4
о.с.
4
пов.
0изл.
100100
.
TT
Сq
67,50С
)/(
42
КмВт
изл..теплпо гл.пол.
qqqq
л
увеличивает температуру теплоносителя, что приводит к возникновению
перепада температур между теплоносителем и окружающей средой и
появлению тепловых потерь.
Тепловые потери вследствие теплопередачи находятся по формуле
,
где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К),
средняя температура теплоносителя внутри коллектора и
температура окружающей среды, К.
Коэффициент теплопередачи определяется по формуле
,
где
– коэффициент теплоотдачи снаружи, Вт/(м2·К). Значение
коэффициента теплоотдачи находится в безветренную погоду в пределах 6 – 8
Вт/(м2·К), а при наличии ветра 15 – 20 Вт/(м2·К);
– толщины слоев стекла, воздуха и изоляции соответственно, м;
– коэффициенты теплопроводности стекла, воздуха и изоляции
соответственно, Вт/(м·К).
Температура наружной поверхности коллектора
находится по формуле
.
Тепловые потери излучением определяются согласно закону СтефанаБольцмана
,
где – степень черноты;
– постоянная Стефана.
Полезный тепловой поток, воспринятый коллектором, находится по
формуле
.
35
Кпд коллектора вычисляется как
с
q
q
пол.
T
равн.
Т
о.с
А
T
пол1
нагр.2
qz
Qz
F
.
Потери тепла будут возрастать с ростом температуры теплоносителя
внутри коллектора до тех пор, пока не сравняются с количеством воспринятого
коллектором тепла. В этом случае кпд коллектора будет равен нулю вследствие
отсутствия полезно используемого тепла.
На рис. 7 представлен график зависимости кпд от температуры.
Рис. 7. Зависимость кпд коллектора от температуры теплоносителя
Температура, при которой достигается тепловое равновесие, носит
название равновесной температуры.
Площадь поверхности солнечного коллектора можно найти по формуле
,
36
где Q – тепловая нагрузка потребителя, Вт;
1
z
2
z
– продолжительность светового дня, ч;
– требуемая суточная длительность тепловой нагрузки, ч.
Стоит отметить, что расчет площади коллектора производится для
осредненного за требуемый промежуток времени значения плотности
воспринятого коллектором теплового потока солнечного излучения.
Задания
Задача 1
Рассчитать площадь солнечного коллектора с воздушным зазором при
следующих исходных данных: тепловая нагрузка 8 кВт; требуемая суточная
длительность тепловой нагрузки 24 часа; средняя плотность потока за световой
день 160 Вт/м2; средняя температура окружающей среды +50С; коэффициент
поглощения и степень черноты поверхности коллектора равны; средняя
продолжительность светового дня 9 часов; средняя температура коллектора
+700С; наружный коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2·К). Толщину и материал
изоляции принять самостоятельно.
Задача 2
Найти равновесную температуру поверхности простого солнечного
коллектора, если плотность потока излучения 420 Вт/м2., температура
окружающего воздуха 5°С, коэффициент поглощения и степень черноты
поверхности 0,92, коэффициент теплоотдачи принять 6 Вт/(м2·К). Толщину и
материал изоляции принять самостоятельно.
Задача 3
Найти количество полезно воспринимаемого тепла солнечным
коллектором с одинарным остеклением и селективным покрытием площадью
2м2, если плотность потока излучения 420 Вт/м2., температура окружающего
воздуха +5 °С, коэффициент поглощения 0,92, степень черноты поверхности
37
0,92, температура поверхности 60 °С, коэффициент теплоотдачи принять 6
Вт/(м2К). Толщина воздушной прослойки 25 мм, параметры стекла и изоляции
принять самостоятельно. Построить график зависимости кпд коллектора от
температуры окружающей среды в диапазоне температур от -10 до +15 °С.
38
Глава 3. Ветроэнергетика
3.1. Общие сведения о ветроэнергетике
Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой
солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению
конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления
накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению
преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических,
закономерностей многое в этих процессах определяется местными
особенностями, обусловленными определенными географическими или
экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их
горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее
обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов
ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Суммарная
кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7·1021 Дж.
Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и
водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом
рассеиваемая мощность составляет около порядка 1,2·1015 Вт, что равно
примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.
Основной энергетический ресурс ветра – это кинетическая энергия масс
воздуха. Наибольшая доля кинетической энергии ветра, которая в соответствии
с законами природы и современным уровнем развития техники может быть
преобразована в полезную энергию, составляет ресурсы, пригодные для
практического использования. Доля энергии, которую можно преобразовать в
традиционный вид энергии с экономически оправданными затратами по
сравнению с обычными энергоресурсами, относится к экономическим
ресурсам.
К главным факторам, определяющим возможность использования энергии
ветра, относятся метеорологические условия, выбор оптимального
39
расположения ветроэнергетической установки (ВЭУ), метод преобразования
кинетической энергии ветра в электрическую, ее использование в общей
системе энергоснабжения и, кроме того, экономическая эффективность.
Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность
ветра, является его скорость и направление. Эти величины зависят от влияния
сил, действующих как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях на
движущиеся воздушные массы. В силу ряда метеорологических факторов
(возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества
тепловой энергии, поступающей на Землю, и др.), а также вследствие влияния
рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его
скорость и направление изменяются по случайному закону. Поэтому мощность,
которую способна выработать ВЭУ в различные периоды времени, можно
предсказать с малой вероятностью. В то же время суммарная выработка
агрегата, особенно за длительный промежуток времени, рассчитывается с
высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота
распределения скоростей в течение года или сезона изменяются мало.
Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в
водяных насосах, используется уже несколько столетий. С 1930 г. до 50-х годов
интенсивно разрабатываются различные конструкции ВЭУ, но в то время такие
установки не находили широкого применения из-за доступности дешевой
нефти. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам
вспыхнул вновь. К этому времени еще сохранили работоспособность несколько
старых установок (например, в Дании установка Gedser мощностью 100 кВт с
диаметром колеса 24 м, построенная в 1957 г.), но большая их часть была
построена в начале 80-х годов на современном техническом уровне при
широком использовании микроэлектроники для контроля и управления ими.
Одно из основных условий при проектировании ветровых установок –
обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами
ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50
лет бывают ветры со скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]