Солнечная энергия и методы ее преобразования
Солнечные пруды [4, С. 68–70]
Одним из способов использования солнечной энергии является ее запасание (аккумулирование) в искусственных или естественных водоемах с соленой водой, которые могут рассматриваться как водяные солнечные коллекторы. Основное условие функционирования подобных систем – наличие градиента концентрации соли по толще воды. Обычно глубина водоемов не превышает нескольких метров. В искусственных водоемах концентрация соли в различных слоях воды регулируется путем введения солевых растворов разной концентрации на различные глубины так, чтобы нижние слои воды обладали максимальным ее содержанием.
Под воздействием Солнца вода прогревается по всей толщине, но в разной степени. Верхние слои прогреваются до меньшей температуры, поскольку они находятся в контакте с воздухом (здесь имеют место повышенная конвекция и дополнительная теплоотдача). Проникая на дно, солнечные лучи нагревают воду нижних слоев. Конвективные потери здесь сокращаются благодаря наличию градиента плотности (нижние слои, хоть и нагретые, но тяжелее за счет соли). Поэтому нижние слои воды могут прогреваться значительно сильнее, чем верхние.
Этот эффект позволяет получать в нижних слоях воду с температурой около 100 °С, тогда как в верхних слоях температура будет не выше температуры окружающего воздуха.
Солнечные пруды относятся к классу активных солнечных систем. Существуют проекты больших энергетических установок по производству электроэнергии на базе солнечных прудов (рис. 1.7).
| Рис. 1.7. Электростанция на базе солнечного пруда: Слои с концентрацией соли: I – низкой; II – средней; III– высокой; А – конденсатор; Б – электрогенератор; В – турбина; Д1 – насос низкокипящей жидкости; Д2 – насос для холодной воды; Д3 – насос для горячей воды |
В такой установке горячая вода из слоя III поступает в теплообменник испаритель с помощью насоса Д3 и возвращается снова в свой слой. В парогенераторе образуется низкотемпературный пар из низкокипящей органической жидкости (например, фреона), который затем поступает в турбину В. Она в свою очередь приводит в движение электрогенератор Б. После турбины пар направляется в конденсатор А, куда насосом Д2 подается холодная вода из слоя I. Вся схема работает в замкнутом цикле, что делает возможным многократное использование низкокипящей жидкости. Эффективность системы во многом зависит от перепада температур между слоями I и III.
Проблемы при создании подобных электростанций: большие размеры турбин (необходимые для получения требуемых усилий, вращающих генератор); необходимо обеспечивать коррозионную стойкость элементов парогенератора из-за повышенного солесодержания воды.
Вопросы для самопроверки
1. Изобразите принципиальную схему электростанции на базе солнечного пруда.
2. Назовите элементы электростанции на базе солнечного пруда.
3. Объясните принцип работы электростанции на базе солнечного пруда.
Ветровая энергия и методы ее преобразования
Устройство ветроэнергетической установки [1, С. 120–121], [2, С. 509], [4, С. 80–82]
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, в который входят ветроэнергетический агрегат (ветроагрегат) и, в зависимости от схемы, аккумулирующее или резервирующее устройство (электродвигатель, дублирующий мощность ветродвигателя), а также системы автоматического управления и регулирования режимов работы установки и ее элементов.
Ветроэнергетический агрегат (ВЭА) – это система, состоящая из ветродвигателя, одной или нескольких рабочих машин (генератора, насоса, компрессора и т.п.), служащих для выработки определенного вида энергии (электрической, механической) или для выполнения заданного процесса (подъема воды, сжатия воздуха, размола зерна и др.).
Ветродвигателем называется любое устройство, использующее кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии.
Таким образом, в состав ветроэнергетической установки входят следующие конструктивные узлы (см. рис. 2.1):
1) двух- или трехлопастное рабочее колесо, устанавливаемое на высоте до нескольких десятков метров над землей;
2) электрогенератор, устанавливаемый на одном валу с рабочим колесом;
3) башня;
4) фундамент, на который устанавливается башня.
| Рис. 2.1. Ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения: 1 – рабочее колесо; 2 – гондола; 3 – башня; 4 – фундамент |
Диаметр рабочего колеса в целях получения большей мощности в одном агрегате может достигать 100 м.
При проектировании ветроустановок одна из наиболее трудных проблем состоит в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов ротора. В таком случае будет поддерживаться постоянство выходной мощности генератора. Поддержание постоянной частоты вращения рабочего колеса при разной силе ветра достигается в большинстве случаев изменением угла атаки лопастей (угла наклона лопастей по отношению к ветру) за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.
Для сохранения при определенных скоростях ветра мощности ветроагрегата на неизменном уровне, предохранения их от перегрузок, обеспечения заданной частоты вращения присоединенных к ветродвигателю рабочих машин применяются автоматические системы регулирования.
В качестве генератора могут использоваться синхронные или, чаще всего, асинхронные, а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы. В некоторых конструкциях электрогенератор связывается с рабочим колесом через повышающий частоту вращения ротора редуктор.
Конструкция башни чаще всего имеет трубообразную форму, реже – решетчатую. На ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ (рабочее колесо, редуктор, электрогенератор).
Стоимость электроэнергии, получаемой от ветроэлектростанции (ВЭС), существенно уменьшается с ростом мощности агрегата. Однако большие машины за счет неизбежного трения и других потерь при малых скоростях ветра работают хуже. Кроме того, они сложны в эксплуатации.
Альтернативой крупным ветроэнергетическим установкам являются многоагрегатные ветряные фермы. Многоагрегатные ВЭС меньшей единичной мощности являются менее сложными машинами, при работе на общего потребителя они позволяют более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов. Однако ВЭС нельзя располагать друг к другу ближе, чем примерно 30 диаметров ветроколеса. При меньших расстояниях они заметно искажают аэродинамику потоков, что приводит к существенному падению полезной мощности.
Вопросы для самопроверки
4. Что называют ветроэнергетической установкой?
5. Что называют ветроэнергетическим агрегатом?
6. Опишите устройство ветроэнергетической установки.
7. Способы поддержания постоянной частоты вращения ВЭУ.
8. Укажите достоинства и недостатки использования многоагрегатных ветроэлектростанций с агрегатами малой единичной мощности
Литература
1. Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.
2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).
3. https://dic.academic.ru/dic.nsf/dic_fwords/5020/%D0%90%D0%9F%D0%95%D0%A0%D0%A2%D0%A3%D0%A0%D0%90
4. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EA%EB%E8%EF%F2%E8%EA%E0