Вопрос 2 Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую

Солнечный коллектор – установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий – люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике.

Солнечный коллектор – наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них – плоский коллектор – был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.

Типы солнечных коллекторов

-Плоский коллектор – самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Рисунок 1 Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя. К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120-160°С.

Рисунок 2 Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой

Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними – вакуум, который представляет собой отличную теплоизоляцию. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах нагреваемой воды, очень низкие. В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа “труба в трубе”. Соединение относится к так называемому “сухому” типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30°С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45°С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю – воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.

-Принцип действия прямоточного вакуумированного солнечного коллектора

Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым “коллектором” – системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель, по другой – холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.

      Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой

Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка – это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную “гильзу” приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника. 

Задача II типа вариант 3

Рассчитать массу выбросов вредных веществ в воздух, поступающих от автотранспорта, и количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды на участке автотрассы.

Исходные данные

Вариант данных для расчета	Протяженность участка l1, м	Временной интервал, мин
3	1300	45

1. Определяем количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в течение 45 мин. Если за 45 мин проехало N авто то за 1 час N*60/45. Рассчитываем общий путь (L, км), пройденный количеством автомобилей каждого типа за час, по формуле

L = N_i · l, (12)

где N_i – количество автомобилей каждого типа; (i – обозначение типа авто-

транспорта

(i = 1 для легковых автомобилей;

i = 2 для грузовых автомобилей;

i = 3 для автобусов; i = 4 для дизельных

грузовых автомобилей);

l – длина участка, км (по условию равна 1,3 км).

Данные расчетов по каждому типу автотранспорта заносим в табл.1

Таблица 1

Тип автотранспорта	Всего за 45 мин, ед.	За час, Ni, ед.	Общий путь за 1 ч, L, км
1. Легковые автомобили	210	280	364
2. Грузовой автомобиль	3	4	5,2
3. Автобус	6	8	10,4
4. Дизельный грузовой автомобиль	1	1	1,3

Рассчитываем количество топлива (Q_i, л), сжигаемого двигателями автомашин, по формуле

Q_i = L_i · Y_i, (13)

где L_i – общий путь каждого вида автотранспорта за 1 час;

Y_i – удельный расход топлива;

Q₁ = 364 · 0,12 = 43,68л;

Q₂ = 5,2 · 0,31 = 1,61 л;

Q₃ = 10,4 · 0,42 = 4,37 л;

Q₄ = 1,3 · 0,33 = 0,43 л.

Таблица 2

Количество сожженного топлива каждым видом транспортного средства

Тип автотранспорта	Li, км	Qi, л
1. Легковой автомобиль	364	43,6
2. Грузовой автомобиль	5,2	1,61
3. Автобус	10,4	4,37
4. Дизельный грузовой автомобиль	1,3	0,43
	Всего Σ Q	50,01

Определяем общее количество сожженного топлива каждого вида (Σ Q) при условии использования вида топлива каждым типом автотранспорта в соотношении N_б / N_д (N – количество автомобилей с бензиновым (б) или дизельным (д) двигателем).

Таблица 3

Количество сожженного бензина и дизельного топлива

Тип автотранспорта	Тип двигателя, Nб / Nд	Бензин, л	Дизтопливо, л
1. Легковой автомобиль	300/64	35	8,6
2. Грузовой автомобиль	1,61/0	1,61	-
3. Автобус	0/4,37	-	4,37
4. Дизельный грузовой автомобиль	0/0,43	-	0,43
	Всего Σ Qi	36,61	13,4

Рассчитываем количество каждого из выделившихся вредных веществ по каждому виду топлива

Таблица 4

Количество каждого из выделившихся вредных веществ

по каждому виду топлива

Вид топлива	Σ Qi, л	Количество выделившихся вредных веществ, л
		СО	Углеводороды (С5Н12)	ΝΟ2
Бензин	36,61	21,97	3,67	14,64
Диз. топливо	13,4	1,34	0,402	0,54
	Всего (V)	23,31	4,1	15,2

Рассчитываем массу выделившихся вредных веществ (m, г) по формуле

m =

где М – молярная масса вещества;

V – количество выделившихся вредных веществ, л.

М (СО) = 12 + 16 = 28;

М (С₅Н₁₂) = 5 · 12+1 · 12 = 72;

М (NО₂) = 14 + 16 · 2 = 46.

2. Рассчитываем количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и для обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды. Результаты заносим в табл. 5

Таблица 5

Масса выделившихся вредных веществ в атмосферу из-за работы

автотранспорта

Вид вещества	Масса, г	Количество воздуха, м3	ПДК мг/м3
СО	29,14
Углеводороды	13,18
NО2	31,21

Задача (тип VII). Произведите экономическую оценку, и анализ возможности получения дополнительной прибыли для энергосистемы.

Пусть имеются следующие числовые данные для расчетов:

годовой норматив выбросов (W_m) 3,699 тыс. т.; вредные выбросы предприятия в атмосферу 2,166 тыс. т.; W_m = 2538 Гкал; W_э = 7,59 млн. кВт. ч.

Себестоимость тепло- и электроэнергии примем равной

С_m = 32 р./Гкал;

С_э =0,4 р./кВт·ч.

Цена отпускаемой тепло- и электроэнергии составляет

Ц_m = 70 р./Гкал;

Ц_э = 1 р./кВт·ч.

Решение :

1. Рассчитываем превышение выбросов по отношению к годовому нормативу: 3,699/2,166 = 1,71, т.е. выбросы предприятия в 1,71 раза меньше нормативных.

2. Зная, что вредные выбросы вдвое ниже плановых величин, предприятие помимо основной прибыли получает еще 30 % дополнительной прибыли, в нашем случае при составлении пропорции имеем, что предприятие получает 26 % дополнительных дотаций от основной прибыли. Теперь можно высчитать основную прибыль предприятия.

3. Рассчитаем прибыль от производства тепловой энергии по формуле

Прибыль = Цена – Себестоимость.

Зная, что себестоимость всей вырабатываемой тепловой энергии равна

С_общ = W_m · C_m =2538· 32 р. = 81216 р.,

а цена всей вырабатываемой тепловой энергии равна

Ц_т.общ. = W_m ·Ц_т = 2538· 70 р = 177660 р

Найдем прибыль от производства тепловой энергии:

П_т = Ц_т – С_общ = 177660– 81216= 96444р.

4. Аналогично рассчитаем прибыль от производства электрической энергии.

Себестоимость всей вырабатываемой электрической энергии равна:

С_э.общ = W_э · С_э = 7590000 · 0,4 = 3036000 р.

Цена всей вырабатываемой электрической энергии равна:

Ц_э.общ = W_э · Ц_э = 7590000 · 1 р./кВт ч. = 7590000 р.

Прибыль от производства электрической энергии:

П_э = Ц_э – С_э.общ = 7590000 – 3036000= 4554000 р.

Прибыль от реализации теплоэнергии и прибыль от реализации электроэнергии в совокупности – это основная прибыль предприятия:

П_осн = П_т + П_э = 96444 + 4554000= 4650444 р.

Рассчитываем возможность получения дополнительной прибыли (в нашем случае – 26 % от основной прибыли предприятия):

П_доп = 0,26 · 4650444 = 1209115,44р.

Общая прибыль предприятия составляет:

П_общ = 4650444 + 1209115,44= 5859559,44р.

Ответ: Общая прибыль предприятия составляет 7440710,4р.