Общие положения
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2 – 3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном – и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная масса.
Солнечное излучение, падающее на Землю, характеризуется рядом особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Система, использующая солнечную энергию, должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии по времени.
Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:
1) систему улавливания падающей радиации;
2) приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю;
3) систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору;
4) тепловой аккумулятор;
|
Возможны две принципиальные схемы конструкции термопреобразователей. В первой в приемнике нагревается теплоноситель, в связи с чем обеспечивается тепловая загрузка аккумулятора. При этом рабочее тело нагревается от аккумулятора, который сглаживает изменения в поступлении солнечной радиации. Аккумулятор постоянно играет роль буфера, а связь системы «приемник – аккумулятор» с тепловой машиной осуществляется с помощью теплообменника.
Во второй схеме в приемнике нагревается непосредственно рабочее тело. Зарядка аккумулятора осуществляется путем отвода части нагретого носителя, а связь с тепловой машиной происходит без промежуточных устройств.
Данная практическая работа посвящена использованию солнечной энергии на электростанции башенного типа с применением гелиостатов, отправляющих солнечные лучи на приемник, в котором получают перегретый водяной пар для работы в паровой турбине (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема устройства с олнечная электростанция башенного типа с центральным приемником | В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов, они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на башне, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии либо непосредственно используется в промышленных |
процессах. Температура на приемнике достигает 538 - 1482 °C.
Задание
Определить площадь поверхности приемника (Fпр) и удельные тепловые потери (qпол) в нем, вызванные излучением и конвекцией.
Исходные данные для расчета
На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность Fг = 58 м2. Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность Нпр=2,3МВт/м2. Коэффициент отражения гелиостата Rг = 0,8. Коэффициент поглощения приемника Апр = 0,95. Максимальная облученность зеркала гелиостата – Hг=595Вт/м2. Рабочая температура теплоносителя в приемнике t составляет 660 °С. Степень черноты приемника eпр = 0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения. Количество гелиостатов n=298.
Выполнение расчета
Энергия, полученная приемником от Солнца через гелиостаты (Вт), может быть определена по уравнению:
(1.1)
где Нг - облученность зеркала гелиостата, Вт/м2; Fг - площадь поверхности гелиостата, м2; n – количество гелиостатов; Rг - коэффициент отражения зеркала концентратора; Aпр - коэффициент поглощения приемника:
Q=0,8·0,95·58·590·310=8062232 Вт = 8·103 кВт.
Площадь поверхности приемника может быть определена, если известна энергетическая освещенность на нем Нпр, Вт/м2:
(1.2)
Потери тепла за счет излучения в теплоприемнике можно вычислить по закону Стефана – Больцмана, Вт/м2:
(1.3)
где Т - абсолютная температура теплоносителя, К; eпр - степень черноты серого тела приемника; C0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·K4):
Вт/м2.
Полные тепловые потери приемника, вызванные излучением и конвекцией, Вт,
(1.4)
где qпол - удельные тепловые потери приемника, вызванные излучением и конвекцией на площадь поверхности приемника, Вт/м2.
, (1.5)
где qконв – потери тепла за счет конвекции, qконв = 0,5 qлуч:
qконв = 0,5·4,08·104=2,04·104 Вт/м2.
qпол = 4,08·104+2,04·104=6,12·104 Вт/м2.
Qпол = 3,07·6,12·104 = 62628 Вт = 0,626·102 кВт.
Вывод: согласно расчетам моего варианта площадь поверхности приемника Fпр=3,07 м2, удельные тепловые потери в приемнике, вызванные излучением и конвекцией qпол=2,04·104 Вт/м2. Следовательно, можно сказать, что использование солнечной энергии на электростанции башенного типа с использованием гелиостатов эффективно.
|
РАСЧЕТ СИСИТЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Цель работы: закрепить и конкретизировать знания в области геотермального теплоснабжения.
Общие положения
Геотермика (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло) - наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и ряда других факторов.
Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.
В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5 – 40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород (T) приближенно может быть определена по формуле:
(2.1)
где tв – средняя температура воздуха данной местности, °С; H – глубина, для которой определяется температура, м; h – глубина слоя постоянных годовых температур, м; σ – геотермическая ступень.
Геотермальная электростанция (ГеоТЭС) – вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров) (рис. 1.1).
Рис. 2.1. Структура геотермальной электростанции с бинарным циклом
| Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира. Задача посвящена |
оценке теплового потенциала геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру - в скальных породах есть поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α).
Задание
1) Определить начальную температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации (Tп).
2) Определить количество геотермальной энергии (тепловую мощность), извлекаемой первоначально из пласта (E0).
3) Определить постоянную времени извлечения тепловой энергии (τo, лет) при закачивании воды в пласт.
4) Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dτ)τ=0 и через 10 лет (dE/dτ)τ=10?
Исходные данные для расчета
Водоносный пласт толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность rгр = 2700 кг/м3; пористость a = 5 %; удельная теплоемкость Сгр = 840 Дж/(кг·К). Температурный градиент (dT/dz)=40 °С/км.
Среднюю температуру поверхности t0 принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды Св = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ = 1·103 кг/м3. Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км2. Минимально допустимую температуру пласта t1 принять равной 40 ° С.
Расход воды, закачиваемой в пласт, V = 0,1 м3/с. Глубина слоя постоянных годовых температур h=0.7км. Глубина от земной поверхности z=2 км.
Выполнение расчета
Средняя плотность твердых пород земной коры rгр = 2700 кг/м3, коэффициент теплопроводности λгр = 2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км.
При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации, К:
(2.2)
где Тo - температура на поверхности Земли, К.
К.
В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности F.
Теплоемкость пласта Спл (Дж/К) можно определить по уравнению:
, (2.3)
где rв и Св - соответственно плотность, кг/м3, и изобарная удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К); rгр и Сгр - плотность, кг/м3, и удельная теплоемкость грунта, Дж/(кг×К) (пород пласта); обычно Сгр = 820 - 850 Дж/(кг·К).
Дж/К.
Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):
, (2.4)
Дж.
Постоянную времени пласта τ0 (возможное время его использования), лет, в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м3/с) можно определить по уравнению:
(2.5)
Считается, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону, Дж:
(2.6)
где τ - число лет с начала эксплуатации; е - основание натуральных логарифмов.
,
.
Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки), МВт,
(2.7)
Вт,
Вт.
Вывод: начальная температура водоносного пласта перед началом его эксплуатации T2=433К. Количество геотермальной энергии (тепловая мощность), извлекаемая первоначально из пласта Е0=2,34·1017 Дж. Постоянная времени извлечения тепловой энергии при закачивании воды в пласт τ0=160 лет. Тепловая мощность геотермального пласта уменьшается с течением времени: (dE/dτ)τ=0=4,6·107 Вт, (dE/dτ)τ=10=4,32·107 Вт. Тепловой потенциал водоносного пласта во время его разработки убывает: Еτ=0=2,34·1017 Дж, Еτ=10=2,19·1017 Дж. Отсюда следует, что геотермальное теплоснабжение эффективно.
Практическая работа 3
|
Цель работы: с помощью практических расчетов закрепить и конкретизировать знания, полученные в рамках лекционного раздела по теме «Преобразование тепловой энергии океана».
Общие положения
Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан, – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты.
Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м).
Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения (λ > 10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70 °с.ш. до 70 °ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями, %:
– длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство – 41;
– передача тепла атмосфере за счет теплопроводности – 5;
– потери на испарение водной массы – 54.
За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия пе-
реносится по всей планете, причем в области между экватором и 70 °с.ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20 °с.ш. вклад океана в перенос энергии составляет до 74 %. Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т. п.
Океанская тепловая электростанция (ОТЭС), в которой разность температур воды генерирует электрическую энергию, представлена на рис. 1.1.
|
| Принцип действия такой электростанции довольно простой. Теплый поверхностный слой океанской воды подогревает специальный реагент. Основное свойство этого реагента – способность кипеть при низкой температуре. Вскипяченный теплой водой реагент выделяет пар, который и вращает турбину. Далее реагент конденсируется в жидкое состояние и охлаждается водой, взятой на глубине |
одного километра. Чем больше глубина (и разность температур), тем эффективнее работает такая электростанция.
Задача посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур (∆T = 15 ÷ 26 oC) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5 - 9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы «теплой» и «холодной» воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.
Задание
1) Определить расход воды L, м3/с.
2) Определить механическую мощность преобразователя тепловой энергии океана, Р1, Вт.
3) Построить зависимость выходной мощности от перепада температур ΔT = 5; 10; 15; 20 °С.