Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт ЭНИН

Направление подготовки 140100 Теплоэнергетика и теплотехника

Кафедра Автоматизации теплоэнергетических процессов

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ № 1

по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

(Название дисциплины)

Вариант № 10 (В10)

Выполнил студент гр. 5Б1В _________ Опарин А. О.

(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)

Дата сдачи _____ _____________ 2014 г.

Проверила кандидат технических наук Матвеева А. А

(Степень, звание, должность) (Ф.И.О.)

Дата проверки _____ __________ 2014 г.

Подпись ___________

Томск 2014 г.

Расчет солнечной электростанции башенного типа

На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность F_Г м². Коэффициент отражения гелиостата R_ОТР. Максимальная облучен­ность зеркала гелиостата Е_Г. Температура окружающей среды, t ос, °С.

Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность E_ПР. Коэффициент поглощения приемника А_ПОГЛ. Степень черноты приемника _ПР.

В приемнике нагревается и испаряется рабочее тело (вода) до температуры t₀. Давление рабочего тела составляет Р₀. Полученный перегретый пар направляется в турбину мощностью N_Э, работающую по циклу Ренкина. Давление пара за турбиной составляет Р_К. Относительный внутренний КПД турбины _OI. Механический КПД _М=0,975. КПД электрогенератора _г=0,985. Работой насоса, потерями тепла при его транспортировке, собственными нуждами - пренебречь.

Определить:

- расход пара на турбину D₀, кг/с.

- площадь поверхности приемника F_ПР и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией. Принять, что конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.

- энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты (кВт).

- количество гелиостатов n.

- как изменится мощность СЭС, если вместо паротурбинной установки применить кремниевые преобразователи с КПД _ФЭ =0,141, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов?

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант	В10
Поверхность гелиостата, FГ м2	38
Коэффициент отражения гелиостата, RОТР	0,78
Максимальная облучен­ность зеркала гелиостата ЕГ, Вт/м2.	605
Максимальная энергетиче­ская освещенность приемника, EПР, МВт/м2	1,95
Коэффициент поглощения приемника, АПОГЛ	0,95
Степень черноты приемника ПР	0,94
Начальная температура пара, t0, °С	490
Начальное давление пара, Р0, МПа	12,5
Мощность СЭС, NЭ, МВт	4
Конечное давление пара, РК, кПа	4,5
Относительный внутренний КПД турбины,	0,84
Температура окружающей среды, tос, °С	10

Решение:

1 – солнечная башня; 2 – приемник; 3 – гелиостаты; 4 – паровая турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор; 7 – насос

Рисунок 1 – Схема установки СЭС башенного типа

Рисунок 2 – Процесс расширения пара в турбине в h-s диаграмме

1 Расход пара на турбину:

Пользуясь таблицей термодинамических свойств воды и водяного пара, определим следующие параметры:

;

;

;

.

Определим располагаемый теплоперепад на турбину:

.

Определим действительный теплоперепад:

.

Расход пара на турбину:

2 Площадь поверхности приемника и тепловые потери в нем

Количество тепла, полученное приемником от солнца посредством гелиостатов:

Расход тепла на турбоустановку:

.

Тепловые потери приемника:

Удельные потери тепла с поверхности приемника за счет излучения рассчитываются по формуле:

.

Тепловые потери конвекцией определяются по формуле:

,

где начальная температура; температура окружающей среды, а чтобы определить коэффициент теплоотдачи , надо знать число Нуссельта (Nu), число Прандтля (Pr) и Грасгофа (Gr).

Определяем число Грасгофа:

,

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

β – коэффициент теплового расширения, β=1/(t_ос+273), 1/град;

Δt – разность температур , град;

l – характерный размер (принять для всех l=1м);

коэффициент кинематической вязкости, м²/с (определяется по таблице «Физические свойства сухого воздуха»).

Число Прандтля Pr определяем по таблице «Физические свойства сухого воздуха» при температуре окружающей среды : Pr=0,705.

Определяем число Нуссельта:

, где постоянные С и n зависят от режима свободного движения и условий обтекания поверхности и определяются из таблицы.

Таблица 2 – Значения постоянных C и n

(Gr· Pr)	С	n	Условия движения
1·103 - 1·109…	0,75	0,25	Вдоль вертикальной стенки
6·1010	0,15	1/3	Вдоль вертикальной стенки
1·103 - 1·109…	0,5	0,25	На горизонтальной трубе

Определяем произведение :

,

По таблице 2 находим постоянные C и n при условии движения вдоль вертикальной стенки: C=0,15 и n=1/3, тогда

.

Определяем коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией :

,

где λ – теплопроводность воздуха при t_ос. Определяется по таблице: при t_ос=10 ;

l=1 м – характерный размер (расчет потерь ведем с единицы длины).

Теперь можем рассчитать тепловые потери конвекцией:

.

Тепловые потери приемника:

.

_.

Произведем итерационный расчет, задаваясь значением площади приемника от 1 до 8 м² и вычислим

1)

;

;

2)

;

;

_{Погрешность:}

_{Погрешность не превышает допускаемого значения.}

3 Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты:

Из предыдущих вычислений

, при

4 Количество гелиостатов

_{Количество тепла, получаемое приемником через гелиостаты:}

_;

_{Подсчитаем количество гелиостатов:}

Округляем до целого числа: .

5 Как изменится мощность станции, если вместо ПТУ применить кремниевые преобразователи, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов?

Для случая, когда вместо ПТУ применены кремниевые фотоэлементы, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов, мощность солнечной электростанции рассчитывается по формуле:

.

КПД кремниевого преобразователя: .

.

Очевидно, что при использовании кремниевых фотоэлементов мощность станции снижается почти в полтора раза (в 1,4 раз), что обуславливается низким КПД преобразователей.

Вывод:

В ходе решения задачи получили:

• расход пара на турбину: ;

• площадь поверхности приемника: ;

• энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты: ;

• тепловые потери приемника: ;

• количество гелиостатов: .

Расчеты показали, что использование ПТУ позволяет получить большую мощность СЭС, по сравнению с кремниевыми преобразователями, что обуславливается низким КПД последних.