Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы преобразования энергии типовые расчеты. Учебное пособие
.pdf
группирования элементов в батареи путем последовательного и параллельного соединения. Батарея составляется из цепочки п последовательно соединенных элементов (вследствие чего повышается выходное
напряжение батареи
позволяют увеличить ток, отдаваемый батареей в нагрузку
U =
б
)Un и т параллельных ветвей (которые
эл
бэл
Схема электрических цепей солнечной батареи приведена на рис. 1.9, а.
а б
Рис. 1.9. Соединение элементов в батарее
В конструкции солнечной батареи предусматриваются шунтирующие диоды (рис. 1.9, б), которые служат для защиты элементов при не-
равномерном освещении батареи: затененный элемент перестает вырабатывать достаточное напряжение, становясь нагрузкой для других,
что приводит к его нагреванию.
Диод подключается параллельно элементу, как это показано на
рис. 1.9, б. Когда элемент создает номинальное напряжение
, диод заперт.
Если элемент оказывается в тени, напряжение на нем падает, а сопротивление возрастает, что приводит к отпиранию диода, и ток цепи течет
в обход элемента.
Обычно диод ставится на группу элементов, так как нецелесооб-
разно шунтировать каждый элемент.
Мощность солнечной батареи определяется по формуле
.)IIm
PISk
ббэл
tP
21
,
SSN
Р
где
– площадь солнечной батареи, 2м ;
эбл
верхности элемента солнечной батареи,
солнечной батареи;
туры;
– номинальный КПД солнечного элемента;
эл
k – коэффициент, учитывающий влияние темпера-
t
2
м ; N – количество элементов
S
– площадь по-
эл
= 0,85 –
коэффициент, учитывающий потери мощности при ее передаче потребителю (потери в проводах, в шунтирующих диодах и т. д.).
Общеизвестно, что на работу полупроводниковых приборов, в том
числе и на солнечные батареи, оказывает существенное влияние температура окружающей среды. Паспортные характеристики солнечных элементов и батарей приводятся для стандартных условий STC (Standard
Test Conditions),
при которых освещенность составляет
1000 Вт/м ,I
0
2
а температура элементов – (25 ± 2) °С. Нагревание солнечного элемента
выше
ента
25 СТ ухудшает его характеристики. Величина коэффици-
0
k рассчитывается по формуле
t
1( ),
kTT (1.16)
t
раб 0
где – температурный коэффициент (для кремниевых элементов
= 0,005);
Т – рабочая температура батареи.
раб
Таким образом, расчет солнечной батареи является комплексным
процессом, требующим учета множества факторов: от местоположения
и климатических условий до индивидуальных потребностей в энергии.
Правильный расчет обеспечит оптимальную производительность системы, гарантируя достаточное количество энергии для покрытия потребностей без излишних затрат.
1.8. РАСЧЕТ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА
Лучистая энергия используется для получения как электрической,
так и тепловой энергии. Одним из способов непосредственного преобразования лучистой энергии в тепловую является применение солнечных коллекторов (рис. 1.10).
Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины
черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые
22
обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор
представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает рабочее тело (например, воду,
циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной). Чем больше
энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Несмотря на то, что принцип работы всех коллекторов один и
тот же, их
конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора
и сферы его применения.
Рис. 1.10. Солнечный коллектор
Тепловая энергия, которую запасается рабочее тело в коллекторе,
рассчитывается по формуле
где С – теплоемкость рабочего тела, Дж/
воды, кг;
и входом
T – перепад температур воды между выходом
в
()Т в коллектор, °С.
вх
,А CM T (1.17)
в
°С; М – масса нагреваемой
Солнечная энергия, поглощаемая коллектором, определяется по фор-
муле
где
τPI – удельная мощность коллектора, приходящаяся на 1 2м
1
его поглощающей поверхности,
(1.18)
Вт/м ; τ – коэффициент пропускания;
23
,А PSt
1
2
()Т
вых
– коэффициент поглощения; S – площадь поглощающей поверхности
2
коллектора,
м ; t – длительность процесса нагревания воды, с; η – КПД
коллектора.
Коэффициент полезного действия коллектора зависит от целого ряда
факторов, таких как температура окружающей среды, инсоляция, разность температур теплоносителя и окружающей среды, и может быть
рассчитан по формуле
kT
– оптический (номинальный) КПД коллектора при нормальных
где
о
о
,
(1.19)
I
условиях; k – коэффициент тепловых потерь (зависит от типа коллектора
2
и его теплоизоляции),
сителя и окружающей среды, °С; I – инсоляция,
Вт/(мС); ΔT – разность температур теплоно-
2
Вт/м .
Таким образом, расчет солнечного коллектора является ключевым
этапом в проектировании и строительстве эффективной системы солнечного отопления. Правильно подобранный коллектор и грамотно выполненные расчеты гарантируют максимальную эффективность и долговечность системы, позволяя сэкономить расходы на отопление и сократить выбросы вредных веществ в атмосферу.
1.9. РАСЧЕТ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
ДЛЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ
Использование человеком различных видов энергии обусловило
не только ее получение и преобразование из одного вида в другой,
но и ее транспортировку и хранение. Общеизвестно, что лучше всего
энергия хранится в первозданном виде (уголь, нефть, газ и т. д.) для последующего преобразования. Однако преобразование энергии из одного
вида в другой сопряжено
с потерями времени, которого в большинстве
случаев не хватает, поэтому возникает необходимость в хранении уже
произведенной энергии. Наилучшими свойствами для хранения обладает электрическая энергия.
Из всех известных способов хранения электрической энергии наимень-
шие потери присущи сохранению ее в гальванических элементах –
24
аккумуляторных батареях (рис. 1.11), обладающих способностью практически мгновенно отдавать энергию в больших объемах. Поэтому аккумуляторные батареи довольно часто используются в технике в качестве резервных источников питания или в роли дополнительных источников в период резкого возрастания нагрузок (пиковых нагрузок) в электротехнических системах.
Рис. 1.11. Аккумуляторная батарея
Системы питания, построенные на использовании возобновляемых
источников энергии, отличаются существенным непостоянством выработки электроэнергии. Бесперебойная работа электротехнических
устройств, питающихся от них, возможна только при условии накопления излишков произведенной ими энергии в накопителях (в данном случае в аккумуляторах) с последующим использованием накопленной
энергии в периоды низкой производительности источника.
Несмотря на
большое разнообразие аккумуляторов, для нужд резервного питания чаще всего используются свинцово-кислотные. Они отличаются простотой конструкции и повышенным сроком службы. Их недостатком является меньшая по сравнению с другими аккумуляторами
энергоемкость, которая к тому же значительно зависит от температуры:
при понижении температуры окружающей среды t величина электрической
емкости аккумулятора уменьшается. Для учета этого влияния
25
используется коэффициент влияния температуры
формуле
, определяемый по
tk
k
t
10,01( 25)
1
t
.
Отличительной особенностью гальванических накопителей является то, что они не могут отдать накопленную энергию полностью. Максимально допустимая величина разряда аккумулятора – 75 % от номинальной емкости, измеряемой в ампер-часах. Бόльшая степень разряда
приведет к выходу аккумулятора из строя. Выходная характеристика аккумулятора показана на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Характеристика аккумулятора
На рис. 1.12 показано, что потребление энергии при максимальном
токе происходит по прямой из точки а в точку б. При этом происходит
и уменьшение выходного напряжения, что необходимо учитывать при
использовании аккумулятора для получения переменного напряжения.
После разряда аккумулятора до предельного уровня в нем остается
энергия, величина которой определяется выражением
АБ ост мин АБ мин макс АБ мин
где
Q и
Q – соответственно минимальная и максимальная вели-
мин
макс
чина заряда аккумулятора, или емкость аккумулятора, А · ч;
Un – минимальная величина напряжения на зажимах батареи
эл мин посл
(0 ,,2 0,25)А QU Q U
26
U
АБ мин
при максимальном разряде;
U
– минимальная величина напряже-
эл мин
ния на зажимах гальванического элемента при максимальном разряде;
n – количество последовательно включенных в батарее элементов.
посл
После заряда аккумулятора накопленная в нем энергия
АБ А
рас-
считывается по формуле
АБ ΣАБ ост потр макс АБ ном
n
где
APt
потр
ленный промежуток времени;
t – время потребления энергии i-м прибором потребителя.
i
– энергия, которую использует потребитель за опреде-
ii
i
1
P – мощность i-го прибора потребителя;
i
,АА АQU
Тогда искомая величина емкости аккумулятора может быть определена по формуле
А
где
разр мин макс
мин АБ мин АБ ном
Un – номинальное напряжение батареи.
эл ном посл
Q
макс
(1 )
/kQQ = 0,2…0,25 – коэффициент допустимого разряда;
/kU U – коэффициент снижения напряжения;
потр
kk U
разр мин АБ ном
,
(1.20)
U
АБ ном
Поскольку напряжение на зажимах одного гальванического элемента
U
не превышает 2…3 В, то для увеличения выходного напря-
эл
жения аккумулятора используется последовательное их включение.
В целях обеспечения электробезопасности при эксплуатации батареи
выходное напряжение на ней не должно превышать
U ≤ 36 В.
АБ ном
1.10. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Прямое преобразование тепловой энергии в механическую стало
возможным после создания тепловых двигателей, в которых возвратнопоступательное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала за счет использования кривошипношатунного механизма.
27
По принципу организации рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания разделяются на четырехтактные (τ = 4) либо двухтактные (τ = 2).
В четырехтактном дизеле полный рабочий цикл соответствует повороту
коленчатого вала теплового двигателя на 720°. Диаграмма рабочего цикла
такого двигателя приведена на рис. 1.13, а, где пунктиром нанесена диаграмма теоретического цикла. Последовательность тактов в каждом из
цилиндров
дизеля одинакова, а сами такты сдвинуты на угол
720
,
z
где z – количество цилиндров дизеля.
Применительно к рис. 1.13, а такты чередуются в следующем порядке:
всасывание воздуха при открытом впускном клапане по линии
сжатие воздуха на участке a′s′ при закрытых клапанах. В точке s′
;fa
впрыскивается топливо, и начинается его горение в процессе сжатия до
точки с′;
от точки с′ начинается процесс расширения горящей смеси, со-
провождающийся повышением давления до точки z′;
от точки z′ до точки d′ продолжается горение смеси при практиче-
ски постоянном давлении над поршневым пространством;
от точки d′ до точки b′ продолжается догорание остатков смеси
и расширение объема продуктов сгорания при понижении давления;
от точки b′ до точки е происходит расширение продуктов сгора-
ния;
от точки е до точки f происходит выброс отработавших газов в ат-
мосферу при открытом выпускном клапане;
от точки f до точки а′ происходит всасывание в цилиндр атмо-
сферного воздуха.
Отклонение реального рабочего цикла от теоретического происходит вследствие:
задержки воспламенения и распространения пламени по объему
цилиндра;
теплообмена между цилиндром и окружающей средой;
гидравлического сопротивления клапанов.
28
р
z
р
z
d
z'dd'
c'
c
s'
f
V
c
ВМТ НМТ
V
h
b'
b
е
а
v
а'
d'
z'
с'
с
s'
V
c
BMT HMT
V
h
b
b'
а
е
f'
v
f
V
е
а б
Рис. 1.13. Диаграммы двигателя:
а – четырехтактного; б – двухтактного
В теоретическом цикле всасывание воздуха в цилиндр и выхлоп отработавших газов осуществляются при одинаковом давлении
кривая р(v) при сжатии воздуха описывается политропой const;
рv
атм
k
сжигание топлива происходит сначала с повышением давления при постоянном объеме v = const, а затем – при постоянном давлении p = const;
расширение газов описывается политропой
;pp
k
рv
const.
В двухтактном дизеле полный рабочий цикл соответствует повороту коленчатого вала на 360°. В двухтактных дизелях с клапанно-щелевой продувкой цилиндров нагнетание воздуха осуществляется через
щели, расположенные вблизи нижней мертвой точки (НМТ) под давле-
нием
(1, 3 1, 6)10 Па.р
5
29
Применительно к рис. 1.13, б такты чередуются в следующем по-
p
p
рядке:
на линии fa закрываются щели;
на линии ас происходит сжатие воздуха;
в точке с происходит впрыскивание топлива и начинается процесс
горения, сопровождающийся повышением давления по линии cz;
на линии zd продолжается горение топлива в результате расшире-
ния смеси;
на линии db продолжается догорание остатков смеси и расшире-
ние объема продуктов сгорания при понижении давления;
на линии bf происходит выталкивание продуктов сгорания.
Отдельные процессы рабочего цикла двухтактного дизеля описываются кривыми, аналогичными кривым цикла работы четырехтактного
дизеля (политропы, изобары, изохоры).
При расчете и построении диаграмм p(v) расчетного цикла двигателя
следует использовать следующие параметры рабочего процесса:
степень сжатия для четырехтактных двигателей, а также кажущу-
юся степень сжатия для двухтактных
VV
hc
V
V
и
где
h
степень повышения давления
– объемы цилиндра и камеры сгорания соответственно, 3м ;
c
(1.21)
,
V
c
z
c
d
z
30
;
(1.22)
;
.
степень предварительного расширения
степень последующего расширения
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]