Расчёт ветроэнергетического кадастра

ВВЕДЕНИЕ

 

Энерговооруженность общества - основа его научно - технического прогресса, база развития производительных сил. Ее соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста. Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства и социальной стороны человечества. Энергообеспечение должно быть надежно и с расчетом на отдаленную перспективу.

Традиционные источники энергии - невозобновляемые (нефть, уголь, газ) истощаются и уже сейчас не могут с расчетом на перспективу обеспечить будущее человечества. Кроме того, они несут угрозу экологической безопасности Земли.

Нетрадиционные источники энергии - возобновляемые, не ограничены геологически накопленными запасами. Их использование и потребление не приведет к неизбежному исчерпанию запасов. Нетрадиционные источники энергии можно объединить единым термином «экоэнергетика», под которым подразумевается получение чистой энергии, не вызывающей загрязнения окружающей среды.

К нетрадиционным источникам энергии относятся: использование солнечной энергии, ветровой энергии, гидроэнергетики, энергии океана, приливов, энергии биомассы, геотермальная энергия и т.д.

В учебно – методическом пособии приводятся основы расчётов задач по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии.

 

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

 

Для использования солнечной энергии в основном применяются солнечные коллекторы. Солнечный коллектор используется для нагрева жидкости.

Поток солнечной энергии Q_с, поглощаемой поверхностью приёмника, составляет:

Qс = τпр ∙ αпг∙ Ап ∙ G, Вт,

(2.1)

где G - облученность приемника, Вт/м²;

А_п - площадь освещенной поверхности, м²;

τ_пр - коэффициент пропускания прозрачного покрытия, защищающего приемную поверхность от ветра. При одинарном остеклении принимается 0,9, при двойном – 0,8;

α_п - коэффициент поглощения приёмной поверхностью солнечного излучения, 0,85 - 0,9.

В процессе поглощения температура приёмной поверхности повышается. Повышение температуры приёмника Т_пр над температурой окружающей среды Т_ср приводит к возникновению потока от приёмника, причём скорость теплоотдачи равна (Т_пр – Т_ср)/R_т, где R_т – термическое сопротивление.

Теплоотдача приемника в окружающую среду:

 

Qт = Ап∙(Тпр - Тср)/Rт,Вт,

(2.2)

 

где Т_пр - температура приёмника, °С;

Т_ср - температура окружающей среды, °С;

R_т - термическое сопротивление, К/Вт.

Суммарный поток тепла Q_Σ, поступающего к приёмной площадке, определяется балансом (уравнение солнечного коллектора):

 

QΣ = τпр ∙ αп∙ Ап ∙ G-[(Tпр-Тср)/Rт] = ηи ∙ Ап ∙ G,

(2.3)

где η_и - коэффициент захвата излучения, 0,85.

Коэффициент к определяет долю суммарного потока Q_Σ, передаваемую жидкости. В приёмниках хорошего качества разность между температурами приёмной площадки и жидкости мала и коэффициент теплопередачи лишь немного меньше единицы. Таким образом, поток тепла от приёмника солнечного излучения к теплоносителю определяется соотношением

 

Qж= к QΣ,

(2.4)

 

Поток тепла при нагревании массы жидкости m:

Qж = m c∙dTж/dt,

(2.5)

 

где Т_ж - температура жидкости, °С;

с - теплоёмкость жидкости, Дж/(кг К).

Поток тепла при нагревании жидкости, массовый расход котороё через приёмник m₁:

Qж = m1∙с(Т2 – Т1),

(2.6)

где Т₁ - температура входящей жидкости в приемник, °С,

Т₂–выходящей, °С.

m₁ - массовый расход жидкости в трубе, кг/с.

 

Рис. 2 1. Схема нагрева жидкости в коллекторе солнечным излучением.

 

Вместо параметра Q удобно использовать плотность теплового потока (тепловой поток на единицу площади) q:

q = ∆T/r, Вт/м2,

(2.7)

 

Q = q∙А= ∆Т∙А/r, Вт

(2.8)

 

Rт = r/A, К/Вт, r = R∙A, м2∙К/Вт

(2.9)

 

где r - удельное термическое сопротивление. м²∙К/Вт

q = α ∙ ∆T,

(2.10)

 

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К).

α = 1/r,

(2.11)

 

Механизмы теплопереноса обозначаются различными нижними индексами у параметров R, r или α, а именно n - для теплопроводности, k - для конвекции, (из) - для излучения, ж - для жидкости.

Количество тепла Q, переносимого в результате через пластину толщиной ∆х и площадью А_п при разности температур её поверхности, равно:

Q = - λ ∙ Aп∙ ∆Т/∆

(2.12)

 

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К).

Знак минус означает, что тепло переносится в направлении убывания температуры по толщине пластины.

Термическое сопротивление при теплопроводностном механизме переноса тепла:

Rn = ∆x/λAп

(2.13)

 

и удельное термическое сопротивление:

 

rn = Rn∙Ап = ∆х/λ,

(2.14)

 

У неподвижного воздуха λ = 0,03 Вт/(м*К).

 

Время, необходимое для повышения температуры:

 

∆t =∆Т/(dTж/dt),c

(2.15)

 

Сж=m∙с,

(2.16)

 

 

где С_ж - теплоёмкость жидкости;

с - удельная теплоёмкость;

m- масса жидкости.

Уравнение теплового баланса для рис. 2.1.

 

m∙c∙dTж/dt=τпрαпA∙G-(Tж–Тср)/Rп

(2.17)

 

где R_п - полное термическое сопротивление промежутка между приёмной поверхностью резервуара и окружающим воздухом.

Rп = [(1/Rк,п-с) + (1/Rиз,п-с)]-1,К/Вт,

(2.18)

 

 

где R_к,п-с – конвективное термическое сопротивление между приёмником и стеклом;

R_из.п-с – радиационное термическое сопротивление между приёмником и стеклом

 

 

 

 

Рис. 2.2. Закрытый чёрный нагреватель.

Т - температура: Т_н - неба, Т_ср - среды, Т_с - стекла, Т_ж - жидкости, Т_д - дна.

Полное термическое сопротивление промежутка приёмная поверхность нагревателя – стеклянная крышка:

 

Rп = [(1/Rк-с) + (1/Rиз-с)] ˉ¹, К/Вт.,

(2.19)

 

Наличие стеклянной крышки в 4 раза повышает сопротивление теплопотерям между поверхностью нагретой воды и окружающим воздухом.

Подогреватели воздуха

Энергия, передаваемая воздуху от поглощающей поверхности в единицу времени:

Ри=ρ∙с∙Q∙(Т2-Т1),

(2.20)

 

где ρ - плотность воздуха, 1,2 кг/м³;

с - теплоёмкость воздуха, 1 кДж /(кгК);

Т₁ и Т₂ - температура входящего и выходящего воздуха, С ͦ;

Q_р – объёмный расход воздуха,м³.

 

Зерносушилки

 

Абсолютная влажность зерна определяется по формуле:

 

W=(m-m0)/m0,

(2.21)

 

где m - текущая масса пробы;

m₀ - масса сухого вещества пробы.

Во время просушивания зерно будет отдавать влагу окружающему воздуху до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное содержание влаги, которое зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. (принимается из таблиц).

В процессе выпаривания массы воды m_в объём воздуха V охлаждается
от Т₁ до Т₂:

mв∙r=r∙c∙V(T1–T2),

(2.22)

 

где r - удельная теплота парообразования воды, при r = 0,1МПа и

Т = 100 °С, r = 2257 кДж/кг.

 

 

Солнечные отопительные системы

Тепловой баланс внутри здания описывается уравнением:

 

m∙c∙dTr/dt=τпр∙αп∙G∙Aп-(Tr– Tср)/Rт,

(2.23)

 

где Т_r – комфортная температура в помещении, °С;

А_п – площадь приёмника, м²;

G –интенсивность солнечного излучения, Вт/м².

Если температура в комнате постоянна, то:

 

τ_пр∙α_п∙G=(Т_r-T_ср)/r, (2.24)

 

где τ_пр - пропускание стекла, 0,9;

α_п - коэффициент поглощения стенки, 0,8;

r - термическое сопротивление потерям из комнаты наружу вертикального окна с одним стеклом, r = 0,07м² К/ Вт.

 

Температура воздуха в доме с течением времени определяется по формуле:

 

Т_r-Т_ср=(Т_r– Т_ср) _{t = 0} ехp[-t/(RC)], (2.25)

 

где R = r∙A^-1; С = mс

m - масса стенки, кг;

с – удельная теплоёмкость (для бетона с = 840 Дж/(кг К).

 

 

КПД солнечной батареи

 

η = Р_и/А_п∙G (2.26)

 

ЭДС солнечной батареи

 

Е =Р_и/I², (2.27)

где I - величина тока, А.

 

Производительность солнечного дистиллятора П определяется:

 

П = G/r, кг/м²∙день, (2.28)

 

где G - поток излучения, МДж/м² день;

r - удельная теплота парообразования, 2,4 МДж/кг.

 

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

 

Если колесо турбины радиусом R вращается с угловой скоростью ω, то мощность турбины Р равна:

 

Р = F∙R∙ω, (3.1)

где F - сила, действующая на лопасть.

 

Скорость набегающего потока:

 

U²_с = 2∙g∙H, м/с, (3.2)

где Н - напор, м

 

Радиус колеса

 

R = ½∙U_с/ω, м, (3.3)

 

Размер лопасти r_л (радиус):

 

r_л = R/(10-12), м,

 

Максимальный КПД активных турбин η = 0.9;

 

Коэффициент быстроходности £:

 

£= Р^1/2ω/r^1/2(g∙H)^5/4 = R_л/R∙0,68(n_į∙η)^-1/2, (3.4)

 

где n_i - число сопел; ρ - плотность воды.

Угловая скорость ω

ω = £∙ρ^1/2(g∙H)^5/4Р^-1/2, рад/с, (3.5)

где Р – мощность турбины, Вт.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

 

Массовое количество воздуха, проходящего через ометаемую площадь в единицу времени равно:

 

m₁ = ρ∙S∙V₀,кг/c (4.1)

 

где ρ - плотность воздуха, 1,2 кг/м³;.

S - ометаемая площадь, πR², м²;

V₀ - скорость ветра до ветроколеса, м/с.

 

Сила, действующая на ветроколесо:

F = m₁∙ (V₀ – V₂),(кгм/с²), (4.2)

 

где V₂ - скорость ветра после ветроколеса, м/с.

 

Скорость ветра V₁ в плоскости ветроколеса:

 

V₁ = ½(V₀ + V₂), м/с., (4.3)

 

Мощность ветрового потока:

 

Р₀ = ρ∙S∙V₀³/2, Вт., (4.4)

 

Мощность ветроустановки равна той мощности, которую теряет ветер при прохождении ветроколеса:

Р = m(V₀² – V₂²)/2, Вт., (4.5)

 

Быстроходность ветроколеса:

 

Z = V_r/V₀ = R∙ω/V₀, (4.6)

где V_r - окружная скорость конца лопастей, м/с;

ω - угловая скорость ветроколеса.

 

Расчёт ветроэнергетического кадастра

Для расчёта потребности в ветроустановках необходимо иметь ветроэнергетический кадастр данного района, т.е. необходимо иметь исчерпывающую информацию о ветровой обстановке в районе, как о природном процессе и преобразовании ветровой энергии в электрическую. Общеметеорологических характеристик для этого недостаточно. Получение таких характеристик является основной задачей ветроэнергетического кадастра.

Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих выявить его энергетическую ценность и определить возможные режимы работы.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

1 - среднегодовая скорость ветра;

2 – годовой и суточный ход ветра;

3 – повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

4 – максимальная скорость ветра;

5 – распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

6 – удельная мощность и удельная энергия ветра;

7 – ветроэнергетические ресурсы района

 

Средние скорости ветра

Основной характеристикой ветра, определяющей его интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определённый период времени (сутки, месяц, год). По результатам обработки 10 – летних наблюдений по 168 метеостанциям северо – европейской части России, среднеквадратичное отклонение среднегодовой скорости повсеместно примерно одинаково и составляет 0,2 – 0,5 м/с.

В приложении №1 дана среднемесячная скорость ветра на высоте флюгера 10 м.

Среднегодовая скорость ветра определится:

(4.7)

где, V_m - среднемесячная скорость ветра, м/с.

Повторяемость скоростей ветра, его среднемесячная вероятность по градациям приведена в Приложении. Однако, для расчёта длительности затиший и расчёта рабочих периодов ветроустановки на высотах 20 – 100 м, необходимо пользоваться табулированными в % и днях в зависимости текущих скоростей ветра от среднегодовых скоростей ветра.

Максимальная скорость ветра при горизонтальном расположении оси ветроустановки ограничивается скоростью ветра 25 м/с. При превышении этой величины скорости ветра, ветроустановки выводятся из работы во избежание поломки. При вертикальной оси ветроустановки, она может работать при скорости ветра до 60 м/с.

В расчётно – графической работе максимальную скорость ветра принять 20 м/с, так как при расчётной скорости 12 – 13 м/с выработка электроэнергии будет поддерживаться на этом уровне.

Для обеспечения энергетической потребности требуется часть электрической энергии качественной, т.е. со стабильным напряжением и частотой 50 Гц и часть электрической энергии для работы электрокотла, т.е. нагрева воды для отопления и горячего водоснабжения.

Вертикальный профиль ветрового потока определяется по формуле:

(4.8)

 

где – V_h1 – скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с;

V_h2 – скорость ветра на высоте h2;

m – показатель степени, 0,2 в РФ, (в США – 0,18).

В таблице 1 и на рис.1 приведены коэффициенты возрастания скоростей ветра на разных высотах.

 

Таблица 4.1.

Высота, м
Коэффициент возрастания	1,0	1,15	1,25	1,32	1,38	1,44	1,48	1,53	1,57	1,6

 

В соответствии с таблицей 4.1. и рис.4.1. можно определить среднемесячные и среднегодовые скорости ветра на разных высотах.

 

Рис. 4.1. Коэффициент возрастания средней скорости ветра в зависимости от высоты над землёй оси ветрового колеса

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: