Чисельник: дані при змінному куту нахилу.

Знаменник: дані при постійному куту нахилу.

,

 

де h_ТП – термічна ефективність теплоприймача;

k_пр – приведений коефіцієнт теплопередачі огорожі елементів сонячного нагрівача;

F – площа сонячної енергоустановки;

k_зм, F_зм – коефіцієнт теплопередачі та загальна площа змійовика теплообмінника;

t_в2 – температура води на виході другого контуру;

t₀ – температура навколишнього середовища.

В порівнянні з одноконтурною системою, сумарна ефективність двоконтурної системи складає близько 0,74.

Величина ємності акумулюючого пристрою для сонячної енергоустановки складає:

 

 

де S₀ – середньодобова питома величина надходження сумарної енергії сонячної радіації з урахуванням коефіцієнта ефективності колекторів сонячної енергоустановки;

L_s – площа колекторів сонячної енергоустановки;

с – питома теплоємкість акумулюючого матеріалу;

t_п, t_к – початкова та кінцева температура нагрівання води;

m_{min доб} – мінімальна добова величина використання теплоносія.

Залежність місткості акумулятора води на 1м² поверхні колекторів сонячної енергоустановки від середньодобової величини надходження енергії сонячної радіації (коефіцієнт ефективності установки 0,6) поданий на рис.3.5.

 

 

 

Рис. 3.5 Залежність місткості акумулятора на 1м² поверхні геліоустановки від середньодобової величини надходження енергії сонячної радіації (коефіцієнт ефективності установки 0,6).

 

 

3.2 Розрахунок фотоелектричних перетворювачів (сонячних батарей).

 

Фотоелектричне генерування енергії обумовлено просторовим розподіленням носіїв позитивного та негативного зарядів в напівпровідниках. В присутності електричного поля ці заряди здатні створювати електричний струм в зовнішній мережі. Пристрої на напівпровідникових переходах називають фотоелементами (ФЕ) або фотобатареями (ФБ), сонячними елементами (СЕ), сонячними батареями (СБ), сонячними фотоелектричними перетворювачами (СФЕП).

Промислові СФЕП мають ККД, що знаходиться в межах від 10 до 20% і можуть виробляти в день від 1 до 2 кВт×год. електроенергії на 1м² робочої поверхні. Сонячні елементи генерують електричний струм прямо пропорційно інтенсивності сонячного випромінювання.

Сучасні сонячні елементи мають наступні переваги: у них відсутні рухомі частини, що зношуються, вони мають необмежений термін служби, вимагають мінімального обслуговування (або взагалі не вимагають такого), не забруднюють навколишнє середовище. На відміну від електрогенераторів інших типів вони можуть застосовуватися в широких межах потужності - від одного вата і до декількох тисяч мегават.

Сонячні енергоустановки з фотобатареями найчастіше будуються за такою схемою:

– сонячна батарея–аккумулятор–навантаження (або перетворювач роду струму–навантаження).

Сонячна батарея являє собою паралельно-послідовну комбінацію сонячних елементів.

Послідовне сполучення елементів необхідне для отримання робочої напруги:

,

 

де U_ш – напруга на виході шин сонячної батареї;

U_д – падіння напруги на блокуючих діодах, що увімкнуті в прямому напрямку;

U_п – падіння напруги в проводах між сонячними елементами та електрохімічним акумулятором.

Паралельні ланцюги послідовно з’єднаних елементів забезпечують отримання необхідного струму, що вимагає навантаження.

Загальна площа сонячної батареї, що працює на акумулятор, становить:

 

,

 

де Q – кількість електрики необхідної споживачу, А×год.;

k– коефіцієнт, що враховує кількість електрики, яку акумулятор віддає при розрядженні;

N_г – тривалість добового зарядження;

N_д – число діб зарядження;

j_c – щільність зарядного струму.

 

 

3.3 Приклади розрахунків.

 

1. Розрахунок сонячної одноконтурної водонагрівальної установки при вільному режимі теплообміну.

Площа нагрівача:

де m– маса води, (100 кг);

с – тепломісткість (1,163 Вт×год./кг·⁰С);

t_k – кінцева температура (55⁰С);

t_n – початкова температура (12...15⁰С);

I – питома величина надходження сумарної сонячної радіації (600...950 Вт/м²);

h – ККД установки (0,5);

t – час нагрівання (< 8год).

 

2. Розрахунок параметрів двоконтурних сонячних енергетичних установок.

Дано: потреби – 126 МДж/год.; система двоконтурна – в другому контурі швидкісний теплообмінник з параметрами: внутрішній діаметр корпуса D_вн = 0,05м, зовнішній (d_з) та внутрішній (d_вн) діаметр трубок: d_з = 0,016м, d_вн = 0,014м, число трубок z=4, площа живого перетину трубок f_тр=0,00062м², площа між трубного простору f_м.тр=0,00116м². Сонячний колектор – сталевий, коефіцієнт теплоносія покриття ek_вх =0,6, температура навколишнього середовища t₀=28⁰С, потік питомої сумарної сонячної радіації 750 Вт/м²; температура на виході сонячного водонагрівача t^’₁=60⁰С; температура на виході з теплообмінника t^”₁ =30⁰С; температура води на виході з теплообмінника t^”₂=55⁰С; температура води на вході теплообмінника t^’₂=15⁰С. Приведений коефіцієнт теплопередачі сонячного водонагрівача при v=4м/с ,k_пр=7,2 Вт/м². Термічна ефективність стального теплоприймача η_ТП=0,975.

1 – сонячний колекутор;

2 – насос;

3– теплообмінник.

 

 

Визначити: площу сонячних водонагрівачів (F_СВН), площу водоводяного теплообмінника (F_зм), коефіцієнт теплопередачі теплообмінника (k_зм), термічний ККД системи (h_ТС2) та сумарний ККД системи (h₂).

 

 

1. Витрати теплоносія через між трубний простір:

2. Витрати теплоносія через трубки:

3. Швидкість протікання води в міжтрубному просторі:

4. Швидкість води в трубах:

5. Коефіцієнт теплопередачі змійовика теплообмінника:

де m – коефіцієнт, що враховує забрудненість та неповноту дії поверхні теплообмінника;

a₁ – коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінок трубок (перший контур):

a₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінок трубок до холодного теплоносія (другий контур):

де

 

6. Площа змійовика теплообмінника:

7. Загальна площа сонячних водонагрівачів:

8. Термічна ефективність двоконтурної системи:

9. Сумарна ефективність сонячних водонагрівачів двоконтурної системи:

10.Сумарна ефективність одноконтурної системи:

11.Співвідношення двох систем:

h_ТС1/h_ТС2=0,519/0,426=1,22

 

 

4. Розрахунок параметрів фотоелектричних перетворювачів.

 

Розрахунок проводиться за умов постійного значення освітленості та наявності поєднання однотипних елементів (U_хх, І_кз –const.).

Дано: напруга споживача 9В, струм споживання 4×10^-2А , час споживання – 5год.

Визначити: площу фотобатареї.

 

1. Кількість електрики, що віддає акумулятор споживачу:

Q= t×I = 5×4×10^-2=0,2А×год.

2. Напруга джерела живлення:

U_дж=1,2 U_а=1,2×9 ≈11В.

3. Кількість елементів:

n = U_дж/ U_е=11/0,4=28шт,

де U_е – робоча напруга кремнієвого перетворювача (елемента фотобатареї).

4. Струмова площа елемента:

де j_c – щільність зарядного струму, 10 мА/см²;

N_г – тривалість зарядження, год.;

N_д – кількість днів зарядження;

k = 1,2...1,4 – коефіцієнт, що враховує збільшення віддачі кількості електрики при розрядженні;

5. U_хх=U_{0 ×}× n= 0,5×28 = 14 В.

6. І_кз= j_опт× S = 20×2.6 =0.052A.

7. P_max=x× U_хх× І_кз =(0,6...0,8) × 14×0,052 = 0,51 Вт.

8. Загальна площа батареї:

S =S_e × n= 2,6 × 28 = 72,8 см² (0,007м²).

Контрольні питання до глави 3.

1. Які переваги має сонячна енергія порівняно з традиційними видами палива?

2. За якими основними напрямками проводиться освоєння сонячної енергії?

3. На які групи поділяються теплові системи сонячних енергетичних установок?

4. Які можуть бути сонячні теплові системи за характером руху теплоносія?

5. За яким виразом обчислюється площа сонячних колекторів одно контурної системи?

6. Яку величину складає ефективність двоконтурної системи порівняно з одноконтурною?

7. За якою схемою будують сонячні електроустановки з фотобатареями?

8. Як розрахувати загальну площу сонячних батарей, що працюють на акумулятор?

 

4 КОНСТРУЮВАННЯ МАЛИХ ГІДРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

 

Поверхня України поділена мережею річкових долин, балок і ярів з численними водотоками, починаючи від маленьких струмочків періодичної дії до великих рік, таких як Дніпро і Дністер.

Водозабори великих і багатьох середніх річок розташовані в кількох геоморфологічних областях, тому окремі їх ділянки різняться між собою. Малі річки течуть в межах однієї геоморфологічної області, тому різниця поміж їх окремими ділянками незначна.

Річкова мережа України розподіляється за наступними основними водозаборами:

– басейн р. Вісли - охоплює річки північного заходу республіки;

– басейн р. Дунаю, до якого належать річки басейнів Тиси і Прута, а також кілька річок, що впадають в Дунай або в Придунайські озера нижче гирла Прута;

– басейн р. Дністра - включає річки східних схилів Українських Карпат, а також річки Подільської височини;

– водозабір р. Південного Бугу - охоплює річки Подільської та Придніпровської височини;

– басейн р. Дніпра - перетинає Україну з півночі на південь і охоплює річки багатьох геоморфологічних областей;

– між Дунаєм і Дністром є близько 70 річок, що течуть в Причорноморській низовині і впадають у лимани Чорноморського узбережжя або у море;

– водозабір Сіверського Донця, правобережні притоки р. Дону;

– річки, що впадають в Азовське море та його лимани і затоки.

Для розрахунків гідрографічних характеристик використовуються опубліковані матеріали Держкомгідромету СРСР. Якщо річка протікає територією кількох суміжних держав, гідрографічні характеристики розраховуються для частини її водозабору, що розміщена безпосередньо в Україні, і, залежно від розмірів цієї частини водозабору, відноситься до відповідної градації малих річок.

За уточненими даними, більша частина України (98% площі) належить до басейнів Чорного і Азовського морів і тільки 2% її площі - до басейну Балтійського моря.

 

4.1 Основні схеми та склад споруд малих гідроелектростанцій.

Гідроенергетика є однією з найбільш розвинених галузей енергетики на основі відновлюваних джерел енергії, причому в останній час проводиться досить чіткий поділ на велику гідроенергетику, яку відносять до традиційних застосувань, та малу гідроенергетику, що визначається як один із напрямів відновлюваної енергетики.

Головною перевагою гідроенергетики є дешевизна генерованої на ГЕС електроенергії. Відсутність паливної складової в процесі отримання електроенергії при впровадженні невеликих ГЕС дає позитивний економічний та екологічний ефект. Необхідно відмітити, що ГЕС великої потужності, при спорудженні яких з землекористування вилучаються значні площі продуктивних земель, негативно впливають на стан в економічній, екологічній та соціальній сферах регіонів, де вони впроваджуються.

Згідно міжнародної класифікації (норматив ООН) до обладнання великої гідроенергетики відносять станції, нижня межа потужності гідроенергетичного обладнання яких становить 30 МВт, до малої гідроенергетики – станції, верхня межа потужності гідроенергетичного обладнання становить 30 МВт.

Гідроелектрична станція – комплекс гідротехнічних споруд, що обладнані гідромеханічним та електричним устаткуванням і призначений для перетворення енергії водяного потоку в електричну.

За потужністю гідроелектростанції умовно поділяються:

– мікро – потужністю до 100 кВт (0,1МВт). Вони призначені для енергозабезпечення окремих підприємств, віддалених селищ. Радіус дії цих станцій до 1 (інколи 2…5) км. Розподіл енергії здійснюються напругою до 10кВ. Будівельна частина відрізняється простотою конструкції, гідромеханічне обладнання складається з одної або двох турбін;

– міні – від 100 до 1000 кВт (0,1…1 МВт). Призначені для групи споживачів, що розташовані в радіусі 20…25 км, або для енергопостачання відносно великого підприємства. Розподіл електроенергії проводиться напругою 10кВ. Гідромеханічне обладнання складається з двох – трьох турбін. Працюють найчастіше паралельно з центральною енергосистемою;

– малі – від 1000 до 10000 кВт (1…10 МВт). Призначені для енергозабезпечення споживачів в радіусі до 50…60 км. Розподіл електроенергії здійснюється напругою 10…35 кВ. Працюють паралельно з центральною енергосистемою.

За величиною використання напору:

– низьконапірні – мікро – до 15 м, міні – 20 м, малі – 25 м;

– середньонапірні – мікро 15 – 50 м, міні 20 – 100 м, малі 25 – 130 м;

– високонапірні – мікро – > 25 м, міні – > 100 м, малі – > 130 м.

За способом створення напору гідроелектростанції споруджуються за наступними схемами:

– пригребельні;

– дериваційні;

– гребельно-дериваційні (мішані).

 

4.1.1 Схеми пригребельних гідроелектростанцій.

 

Пригребельні станції, в основному, розташовують на рівнинних річках, що мають невеликі уклони, малі швидкості течії та явно виражені заплави. Напір у них створюється греблею, а будівля станцій розташовується в нижньому б’єфі безпосередньо біля греблі.

В залежності від місцевих умов розрізнюють пригребельно-заплавні (рис.4.1, 4.2) та пригребельно–руслові (рис.4.3) гідроелектростанції.

1– турбіна; 2- генератор; 3- мостовий кран; 4- затвори; 5- міст; 6- глуха земляна гребля; 7- водозливна бетонна гребля; 8- бики; 9- будівля ГЕС; 10– відсмоктувальна труба.