Исходные данные для расчета

Навоз утилизируют n=14 коров, а также обеспечивают тепловую мощность N (Вт). Время цикла сбраживания τ = 14 сут при температуре t = 25 °С; подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идет со скоростью W = 2 кг/сут; выход биогаза из сухой массы ν_г = 0,24 м³/кг. Содержание метана в биогазе составляет 70 %. КПД горелочного устройства η=0,66. Плотность сухого мате­риала, распределенного в массе биогазогенератора, r _сух ≈ 50 кг/м³. Теплота сгора­ния метана при нормальных физических условиях Q_н^р = 28 МДж/м³.

Порядок выполнения работы

Задача посвящена проблеме использования биотоплива для преоб­разования его энергии в тепловую или электрическую в сельскохозяйственных пред­приятиях и на фермах. Одним из видов биотоплива являются отходы жизнедеятель­ности животных (навоз), при переработке которых (сбраживание) в биогазогенераторах можно получать биогаз, в состав которого (70 % по объему) входит метан; тепло­та сгорания метана при нормальных фоновых условиях Q_н^p = 28 МДж/м³. Время полного сбраживания суб­страта, состоящего из воды, навоза и ферментов, в зависимости от температуры изме­нятся от 8 до 30 сут. Плотность сухого материала в субстрате r_сух составляет, примерно 50 кг/м³. Выход биогаза от 1 кг сухого материала в сутки V_г составляет примерно 0,2 - 0,4 м³/кг. Скорость подачи сухого сбраживаемого материала в биогазогене­ратор (метантенк) W зависит от вида животных и их количества на ферме.

Если обозначить через m₀ (кг/сут) подачу сухого сбраживаемого материала, то суточный объем жидкой массы, поступающей в биогазогенератор (м³/сут), мож­но определить по формуле:

(6.1)

Объем биогазогенератора, необходимого для фермы (м³),

(6.2)

Суточный выход биогаза (м³/сут)

(6.3)

Тепловая мощность устройства, использующего биогаз (МДж/сут или Вт), вычисляется по формуле:

(6.4)

где f_м - объемная доля метана в биогазе; η - КПД горелочного устройства (≈ 60 %);

Вывод: в ходе практической работы были определены затраты энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющих выделить технические и технологические аспекты процесса: объем биогазогенератора V_б=7,84м³, суточный выход биогаза V_г=6,72м³/сут.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Цель работы: закрепить и конкретизировать знания в области ветроэнергетики и научиться определять количество энергии, которое может выработать ветроустановка.

Общие положения

Ветроэнергетика является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки (рис. 7.1) мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Основными преимуществами ветроэнергетики являются простота конструкций и эксплуатации, доступность этого поистине неисчерпаемого источника энергии. К недостаткам следует отнести прежде всего непостоянство направления и силы ветра, возможность длительных простоев и вытекающую из этого необходимость аккумулирования и резервирования ветроэнергетических установок, отчуждение территорий и изменение традиционных ландшафтов.

Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна плотности воздуха и кубу средней скорости. Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5 – 10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 10⁷ циклов за 20 лет эксплуатации).

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических, закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7∙10²¹ Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом рассеиваемая мощность равна порядка 1,2∙10¹⁵ Вт, что составляет примерно 1 % поглощенной энергии солнечного излучения.

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Ветроколесо с горизонтальной осью. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью. Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальные недостатки таких установок:

гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов;

пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.

Задание

1) Определить диаметр ветроколеса D, м, необходимый для ветроустановок мощностью Р, кВт.

2) На какой высоте h₁ целесообразно размещать ветродвигатели? Сколько потребуется установок для покрытия требуемой мощности?