Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы преобразования энергии типовые расчеты. Учебное пособие
.pdf
Количество последовательно включенных элементов цепочки опре-
N
деляется по формуле
U
вых
nU
,
(2.8)
хх
а количество параллельных цепочек
.
mn (2.9)
Рассчитанное таким образом количество элементов батареи соот-
ветствует режиму ее работы при номинальной температуре
T
0
и должно быть скорректировано по рабочей температуре. Кроме того,
поскольку электрические параметры элементов, как указывалось ра-
нее, даются для инсоляции I = 1000
альное значение
,I которое может отличаться от стандартного.
расч
2
Вт/м , необходимо учесть ее ре-
С учетом сказанного количество элементов в батарее будет равно
I
N
0
N
(2.10)
расч
kI
.
t
расч
Совершенствование характеристик элементов солнечных батарей
привело к тому, что такой важный показатель, как КПД, возрос
с 12…15 % у первых образцов до 35…40 % в последних разработках,
что позволяет существенно снизить габаритные показатели батарей.
Решение
В качестве примера выполнения задания рассчитаем параметры солнечной батареи по исходным данным: P = 200 Вт; a = 180 мм
U
хх
= 5,5 В;
I
= 0,36 А; инсоляция местности I = 900
КЗ
; b = 80 мм;
2
Вт/м .
Величина мощности, которую должна развивать батарея, в соответствии с выражением (2.6) равна
P
б
0,85
P
41
235,29
Вт.
200
P
Мощность, развиваемая элементом, в соответствии с формулой (1.15):
PU I k Вт.
эл эл хх эл КЗ
5,5 0,36 0,85 1, 683
f
Количество элементов в батарее согласно формуле (2.7)
P
235,29
б
NP
1,683
эл
140.
Найденное количество элементов батареи соответствует режиму
ее работы при номинальной температуре
T и должно быть скоррек-
0
тировано по рабочей температуре и инсоляции в соответствии с выражением (2.10):
I
N
N
расч
kI
t
расч
0
140 1000
0,825 900
188,55,
где температурный коэффициент, рассчитанный по формуле (1.16), равен
1 ( ) 1 0, 005(60 25) 0,825.
kTT
t
В соответствии с рекомендациями принимается
раб 0
N = 189.
расч
Количество последовательно включенных элементов цепочки согласно формуле (2.8) при условии выбора выходного напряжения
U
= 48 В будет равно
вых
U
nU
вых
хх
48
5,5
8, 7.
Согласно рекомендациям принимаем n = 9, тогда количество параллельных цепочек в соответствии с формулой (2.9)
189
N
mn
21.
9
Согласно рекомендациям принимается m = 21.
42
Площадь поверхности элемента батареи
3эл2
0,18 0,0 ,4 м814, 10Sab
а солнечной батареи
3
б2эл
14,4 10 9 2 .12,22м7SSnm
В заключение необходимо сделать поверочный расчет и определить
способность солнечной батареи обеспечить требуемый ток нагрузки:
200
II
бнагр
P
U
вых
48
4,17
А.
Так как ток батареи определяется суммой токов всех ее цепочек, то
бэл
0,36 21 7,56IImА,
что перекрывает потребности нагрузки.
При выполнении домашнего задания студенту необходимо определить габаритные показатели солнечной батареи при увеличении
и уменьшении величины выходного напряжения в 1,5 раза.
Задача 8
Определить площадь поглощающей поверхности солнечного коллектора для нагревания воды от
T = 10 °C при инсоляции I = 800
вх
2
Вт/м
по исходным данным, приведенным в приложении (табл. П11–П13). Величину КПД коллектора принять самостоятельно.
Решение
В качестве примера выполнения задания рассчитаем параметры
солнечного коллектора по исходным данным: плоский коллектор
с одинарным остеклением; объем воды – 100 л; температура на вы-
T
ходе
среды
= 60 °C; время нагревания – 3 ч; температура окружающей
вых
T = 30 °C.
окр
43
Энергию, необходимую для нагревания воды от
T = 60 °C, рассчитываем по формуле (1.17):
вых
4200 100 50 21ACMT МДж.
в
T
= 10 °C до
вх
Энергия ,A поглощаемая 1
2
м поверхности коллектора за всё
время нагревания, в соответствии с формулой (1.18) составляет:
APSt
1
PI = 800 · 0,8 · 0,91 = 582,4 Вт; τ = 0,8; = 0,91; t = 10 800 с;
где
1
()
где
= 0,7; k = 3.
0
kT TI
0
вых окр
3(60 30)
0,7 0,587,
800
МДж/м ,
2
Тогда площадь поглощающей поверхности солнечного коллектора
составит:
A
S
A
695 0
2
63,.1м
6
6
21 10
При выполнении домашнего задания студенту необходимо определить площадь солнечного коллектора при увеличении выходной температуры на 15 °C и уменьшении КПД на 10 %.
Задача 9
Определить емкость аккумуляторной батареи, необходимую для
обеспечения потребителя электроэнергией в частном жилом доме в течение заданного периода времени из-за отсутствия централизованного
энергоснабжения в соответствии с данными, приведенными в приложении (табл. П14).
Примечание. В качестве дополнения к исходным данным необходимо определиться с составом электроприборов, используемых для комфортного проживания. Ориентировочные значения мощности бытовых электроприборов приведены в приложении (табл. П15).
44
Решение
В качестве примера выполнения задания рассчитывается величина
емкости аккумулятора по исходным данным: номинальное напряжение
аккумуляторной батареи (полностью заряженного)
АБ ном
24 В;U тем-
пература окружающей среды t = 5 °C; перечень приборов и длительность
потребления ими электроэнергии приведены в приложении (табл. П16).
Примечание. При использовании приборов, рассчитанных на питание переменным током либо постоянным током другого уровня напряжения, необходимо учесть потери на преобразование энергии посредством введения в расчетные формулы значений КПД преобразователя
ным 0,85).
(в расчетах принимать рав-
пр
В качестве аккумулятора используется литий-ионная батарея
с
U = 3,2 В и
эл ном
U = 2,8 В.
эл мин
Величина емкости аккумулятора, эксплуатируемой при нормальных
условиях, может быть определена по формуле (1.20). Численные значения компонентов, входящих в формулу:
необходимое суточное количество электроэнергии
A =
потр
= 9,82 кВт · ч;
необходимое суточное количество электроэнергии
A с уче-
потр пр
том преобразования энергии постоянного тока в переменный
A кВт · ч;
A
потр пр
величина емкости аккумуляторной батареи при нормальных усло-
потр
пр
9820
0,85
11,55
виях
A
Q
макс
(1 ) (1 0 , 25 0 ,87 5) 25, 6
UUn = 3,2 · 8 = 25,6 В (так как в батарею входит во-
где
потр пр
kk U
разр мин АБ ном
эл ном послАБ ном
11550
577,647
А · ч,
семь элементов);
мин эл мин эл ном
/ 2,8/3,20,875.kU U
45
С учетом температуры окружающей среды расчетная величина емкости аккумуляторной батареи
QQk
А · ч,
АБ макс
Q составит:
АБ
577,647 1,25 722
t
k
где
t
10,01(525)
1
1, 2 5.
Одним из действенных способов увеличения срока службы аккумуляторных батарей является сужение диапазона их разряда. Вместе с тем
это сужение ведет к необходимости увеличивать электрическую емкость
батареи. Поэтому при выборе диапазона надо сравнить варианты по
критерию экономической целесообразности.
В частности, использование свинцово-кислотных батарей допускает
до 1000 циклов полного «заряда –
разряда», что равносильно их работе
в соответствии с условиями задачи в течение 1000 дней, а с учетом времени их зарядки – 2000 дней, или 5,5 лет, что примерно соответствует
гарантированному сроку их службы.
В том случае, когда по каким-либо соображениям глубина разряда не
должна превышать уровня, например, 85 % от номинального значения,
величина емкости батареи
составит
Q
= 850 А · ч.
АБ
При выполнении домашнего задания студенту необходимо определить, как изменится продолжительность работы аккумулятора с расчетной емкостью, если глубина разряда уменьшится на 20 %, а температура окружающей среды повысится на 10 °С.
Задача 10
Построить диаграмму рабочего цикла и определить основные параметры теплового двигателя по исходным данным, приведенным в приложении (табл. П17). Значения показателей политроп при сжатии воздуха в цилиндре и при расширении газов принять одинаковыми.
Решение
В качестве примера выполнения задания рассчитаем геометрические
размеры цилиндра теплового двигателя, а также величины индикатор
ного давления и термического КПД по исходным данным: объем цилин-
V = 12 л; количество цилиндров z = 6; количество тактов τ = 2;
дра
h
частота вращения n = 1000 об/мин; ξ = 16; λ = 1,6; ρ = 1,3; k = 1,35.
46
-
Для построения диаграммы рабочего цикла (см. рис. 1.13, б) необходимо
определить полный объем цилиндра
VV
,
hc
воспользовавшись соотно-
шением (1.21):
VVV
hch
1161
16
12 12,8 л.
На диаграмме рабочего цикла найденному объему при атмосферном
давлении соответствует положение точки f.
Положение точки a на диаграмме определяется координатами p = 1 атм
и V = 12 л (принимаем объем области цилиндра, занимаемый зазором,
равным
V = 0,8 л).
1
Положение точки c на диаграмме определяется координатами V = 0,8 л
.
Р
В соответствии с термодинамическим законом сжатия по полит-
и
с
1,3 5
const:p
ропе
1,3 5
V
pp
ca
a
V
c
138,701
1,3 5
12
0,8
атм.
Диаграмма рабочего цикла
47
Положение точки z на диаграмме определяется координатами V = 0,8 л
p
p
p
.
и
В соответствии с формулой (1.22)
z
pp атм.
zc
1, 6 3 8, 7 01 6 1, 92 2
Положение точки d на диаграмме определяется координатами
= 61,922 атм и ,
z
V где
d
V л.
dz
1, 3 0, 8 1, 0 4
Положение точки b на диаграмме определяется координатами V = 12 л
.
В соответствии с термодинамическим законом сжатия по полит-
и
b
1,3 5
const:p
ропе
1,3 5
V
pp
bz
d
V
b
61,922 2, 28
1,3 5
1, 0 4
12
атм.
Среднее индикаторное давление в цилиндре рассчитаем по формуле
1
1
1
k
1
1
1
16
1,3 5 1
где
p
c
p
i
(1)
111
38,701
16 1 1,35 1 1, 35 1
1, 6 (1, 3 1) 1, 6 1, 3
16
5, 624 [атм]0,5624[МПа],
12,308
– степень последующего расширения.
1, 3
1
1
1
1
k
2
kk
21
1
1,3 5 1
12,308
Индикаторная мощность двигателя
2
pV nz
ih
P
i
2 0,5624 10 12 10 1000
63
260
674,9
кВт.
48
Термический КПД двигателя
D
D
D
1
t
k
1
k
1
k
1(1)
1 0,611.
1,3 5 1
16 1, 6 1 1, 35 1, 6 (1, 3 1)
1, 6 1, 3 1
1,3 5
Для определения геометрических размеров цилиндра (диаметра
и длины
шень проходит расстояние, равное двум длинам цилиндра. Время
)l следует учесть, что за один оборот коленчатого вала пор-
ц
,t за-
трачиваемое на прохождение этого расстояния, обратно пропорционально частоте вращения вала двигателя, т. е.
160
t
1000
n
0,06
с.
С другой стороны, длина цилиндра определяется его объемом и диаметром поршня:
4
V
h
,
2
п
,
где
D а средняя скорость движения поршня, принимаемая
пц
в нашем случае равной
l
ц
= 6 м/с (тихоходный), однозначно опреде-
п
ляет диаметр поршня на основе соотношения
ц
l
4
V
ц
п
t
h
2
Dt
п
6,
откуда
3
4
V
D
h
п
t
41210
3,14 6 0, 06
49
м.
0,206
Если средняя скорость движения поршня принимается равной
= 10 м/с (быстроходный), то
п
3
4
V
D
п
h
t
п
41210
3,14 0, 06
м.
0,16
При выполнении домашнего задания студенту необходимо определить, как изменится скорость поршня при увеличении частоты вращения вала на 15 % и снижении на 10 %.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]