Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010




НазваниеМетодические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010
страница1/6
Дата публикации08.07.2013
Размер0.78 Mb.
ТипМетодические указания
zadocs.ru > Право > Методические указания
  1   2   3   4   5   6

Казанский государственный архитектурно-строительный университет



Кафедра теплоэнергетики




Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения




методические указания к курсовому проекту по автономным системам ТГВ для студентов специальности 270109

Казань 2010
УДК 696/697

ББК 38.762.2;38.763

К57

К57 Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения: Мстодические указания к курсовому проекту по автономным системам ТГВ для студентов специальности 270109 / Сост. А. В. Кодылев, Казань КазГАСУ, 2010.-46с,

Печатается по решению Редакционно-издательскош сонета Качан-ского государственного архитектурно-строительного университета
В методических указаниях даны принципиальные схемы использования солнечной радиации с помощью установок по преобразованию солнечной энергии в тепловую, характер их работы. Показаны примеры расчета и приведены задания.

Методические указания предназначены для студентов пятого курса специальности 270109 - Теплогазоснабжение и вентиляция.

Табл. 3, библиогр. 10 наимен.

Рецензент

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
котельных установок Казанского государственного энергетического
университета М.А.Таймаров

УДК 696/697

ББК 38.762.2;38.763

Казанский государственный архитектурно-строительный

университет, 2010

©Кодылев А.В., 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

^ 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

2.1. Интенсивность солнечного излучения на поверх­ности Земли

2.2. Собирание солнечной энергии

^ 3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

3.1. Плоские солнечные коллекторы

3.2. Параболические концентраторы

4. УСТАНОВКИ ПО ПРЕОБРАЗОВАНИЮ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

4.1. Паросиловые установки

4.2. Солнечные бассейны, или пруды

4.3. Прямое преобразование солнечной энергии

^ 5. КОНСТРУИРОВАНИЕ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

6.1. Расчет годового (сезонного) КПД и суммарного количества теплоты, выработанной установкой солнечного горячего водоснабжения

6.2. Расчет интенсивности солнечной радиации

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Прим. 1 Численный расчет тепловой части солнечного коллектора (задание в прил. 2)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Расчет установок солнечного горячего водоснабжения

Расчет интенсивности солнечной радиации

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Задание для задачи по расчету тепловой части солнечного коллектора Задание для расчета установок солнечного горячего водоснабжения

Введение
Теплоснабжение объектов традиционными способами требует затрат большого количества природного топлива. Совершенствование теплогенерирующих установок дает возможность его экономии, но не полного отказа даже при работе над проблемой использования нетрадиционных источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной и т. д.) Практически они неисчерпаемы и обладают преимущество перед ископаемым топливом, так как экологически чисты, не имеет отходов, дешевы. Однако применение их связано с высокой стоимостью преобразующих устройств, периодичностью работы, специфичностью места расположения. Несмотря на все это география использования их быстро расширяется.

Специалистам в области теплоснабжения в недалеком будущем придется сталкиваться с различными системами, создаваемыми на базе нетрадиционных топлив, одним из которых является солнечное излучение. Солнечная радиация - практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Мощность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы равна 1,7 • 1014 кВт, а на поверхности Земли-1,2*1014 кВт. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,05*1018 кВт«ч, в том числе на поверхность суши приходится 2*1017 кВт-ч. Без ущерба для экологической среды может быть использовано до 1,5% всей поступающей солнечной энергии. Среднесуточная интенсивность потока солнечного излучения равна 210 - 250 Вт/м2 [18 - 21,2 МДж/(м2'сут)] в тропических зонах и пустынях, 130 - 210 Вт/м2 [10,8 - 18 МДж/(м2«сут)] в центральной части России и 80 - 130 Вт/м2 [7,2-10,8 МДж/(м2«сут)] на Севере России, а максимальная величина достигает 1000 Вт/м7. Число часом солнечного сияния в год в странах Средней Азии составляет 2700 -3035, в Закавказье 2130 - 2520, на Украине и в Молдавии 2000 - 2080. Количество солнечной энергии, поступающей за год ни 1 м3 горизонтальной поверхности, в Ашхабаде равно 1720 кВт-ч. в Одессе 1345 кВт-ч, и Москве 1015 кВт-ч. С помощью гелиотехнических устройств может быть полезно использовано 10 - 50% 'этой энергии.


^ 1. Перспективы развития солнечной энергетики

Проблема использования солнечной энергии, которая являлась предметом изучения отдельных исследователей, сегодня привлекает пристальное внимание всей общественности ( ученых, государственных деятелей, журналистов и т.д.). Это объясняется конечным запасом ископаемого топлива и заставляет задуматься над получением энергии будущего.

Кроме того, в последние годы остро встал вопрос о защите окружающей среды. Современная топливная энергетика загрязняет воз­душный бассейн вредными выбросами, а также существует "тепловое загрязнение".

Поэтому на современном этапе солнечная энергия является весьма перспективным энергоисточником. Если принять во внимание, что все виды энергии трансформируется, в конечном счете, в тепловую, то это может привести к необратимым изменениям теплового баланса и климата нашей планеты. По прогнозам тепловая энергия в количестве 57 от солнечной энергии может создать угрозу "теплового загрязнения"

Несмотря на все преимущества солнечной энергии она не получила широкого применения даже в странах с жарким климатом. Объясняется это периодической облученностью в различные периоды времени к техническими трудностями при преобразовании.

Солнечная энергия практически вечный и потенциальный огромный источник энергоснабжения, не вносящий каких-либо загрязнения в окружающую среду. В наше время надвигающейся экологической катастрофы использование ее может помочь избежать значительных неприятно­стей с точки зрения охраны среды. Основные проблемы применения сол­нечной энергии - высокая стоимость концентрации при использовании, рассосредоточенность и дискретность поступления по часам суток, времени года и географическим поясам. Ключевой проблемой при­менения солнечной энергии является проблема аккумулирования. Если рассосредоточенность излучения и необходимость создания устройства для концентрации определяются технико-экономическими характери­стиками используемых для этого систем, то дискретность поступле­ния энергии требует решения вопросов аккумулирования.

Солнечная энергия является почти неограниченным источником, мощность которого, поступающая на поверхность Земли, оценивается в 20 миллиардов киловатт ( 20-10 12 Вт, или 2000 ГВт). Эта величина бо­лее чем в 1ОО раз превышает прогнозные значения требуемой электри­ческой мощности для планеты в целом на уровне 2000 года. Годовой приход солнечной энергии эквивалентен 1,3.1014 тоннам услов­ного топлива. Для сравнения - мировые запасы органического топлива оцениваются в 6-1О12 тонн условного топлива.

В технических вопросах использования солнечной энергии следу­ет выделить два аспекта - электроснабжение, теплоснабжение, го­рячее водоснабжение и опреснение. В первом случае идет получение электрической энергии, во втором - тепла.

Осуществление подобных проектов связано с низкой плотностью солнечной медиации, которая составляет I киловатт на квадратный метр. В связи с этим требуется большая площадь энергоприемников. В настоящее время разработаны концентраторы энергии, для которых требуется поверхность в десятки квадратных километров. Кроме того, технология изготовления модулей концентраторов является дорогостоящей. Для создания постоянного поступления вторичного энергоносителя необходимо иметь аккумуляторы. Необходимость создания системы аккумулирования выдвигает дополнительные, но преодолимые трудности и увеличивает стоимость энергии. Поэтому во всем мире ведутся разработки солнечной электростанции по термодинамическому циклу преобразования, то есть с применением паросиловой установки, ана­логичной применяемой на современных тепловых станциях. В большинстве высокоразвитых стран годовое количество солнеч­ной энергии, падающей на крыши жилых домов, значительно превосхо­дит величину энергии, необходимой для их отопления или охлаждения. Поэтому естественно прежде всего говорить об использовании солнеч­ной энергии для подобных целей. Наибольший интерес представляет преобразование солнечной энергии в электрическую или механическую. КПД большинства этих установок чрезвычайно низок, но тем не ме­нее перспективы применения весьма заманчивы. Даже при КПД 5 % солнечной энергии, собранной с 6м2 горизонтальной поверхности в тропических .районах, достаточно для удовлетворения энергетической потребности на душу населения на современном уровне развития.

Для этих целей можно использовать обширные неосвоенные простран­ства, не принося ущерба сельскому хозяйству.

Наиболее подходящими районами сооружения энергостанций, работающих на солнечной анергии, являются огромные зоны пустынь, кото­рые опоясывают почти весь земной шар в районах тропиков. Общая площадь этих безжизненных неплодородных районов составляет около 2-107км2 . Годовое количество солнечной энергии в этих областях достигает 5-1016кВт.ч. Если использовать хотя бы 5 % такого количества энергии, то существующие ныне энергетические потребности мож­но было бы перекрыть более чем в двести раз.

Приведенные цифры могут показаться грандиозными, тем не менее перспективы получения солнечной энергии в достаточно больших масштабах в принципе вполне реальны. Однако (вследствие низкой интенсивности солнечного излучения) для этого потребуются коллекторы боль­шой площади. Например, для производства энергии в объеме выработки современной электростанция необходим коллектор площадью около Зкм2.

Значительные успехи. Достигнутые при прямом преобразовании солнечного излучения в электричество с помощью термо- и фото генераторов, относятся не к стационарным, а к специальным условиям использования. Все космические корабли и искусственные спутники Зем­ли оснащены солнечными батареями, преобразующими солнечную энер­гию непосредственно в электрическую. Стоимость таких преобразовате­лей велика для использования в большой энергетике.

В вопросах теплоснабжения применение солнечной энергии продвинулось достаточно вперед. Это объясняется тем, что отопление и горячее водоснабжение являются низкотемпературными процессами и могут быть обеспечены более простыми техническим средствами. Солнечные водонагреватели уже используются для индивидуальных систем в южных климатических зонах.

В настоящее время целый ряд фирм США выпускает различные конструкции солнечных водонагревателей в виде стандартных секций. С помощью таких секций могут набираться панели требуемой производительности.

Важный результат применения солнечных установок - экономия органического топлива, но не менее важным является влияние на экологию в районах их использования.

Сейчас центр тяжести переносится на совершенствование техноло­гий и конструкций гелиоустановок, широкое промышленное разверты­вание программ выпуска. На повестке дня разработка научных мето­дов учета положительных экологических последствий солнечного нагре­ва, что позволит обоснованно расширить рентабельные области его применения, так как при интенсивности солнечной радиации 800 Вт/м2 можно получить в виде работы не более 200 Вт/м2

Исследования в области солнечной энергетики занимают достаточное место в научном мире. В таких странах, как США, Япония, ФРГ, они проводятся на уровне национальной программы, рассчитанной на длительный период.
^ 2.Теоретические основы процессов распространения солнечной радиации

2.1. Интенсивность солнечного излучения на поверхности земли

Солнечное излучение, распространяясь со скоростью 300000км/с, через 8 мин достигает орбиты Земли, отстоящей от Солнца на 150*106 км. Его исходная интенсивность настолько велика, что даже на таком расстоянии она составляет около 1300 Вт/м2 . Хотя Земле до­стается лишь малая доля солнечной энергии, но и ее достаточно, что­бы в десятки тысяч раз перекрыть существующую потребность в энер­гии всего земного шара.

На поверхность Земля попадает лишь 50% радиации Солнца, остальная часть поглощается облаками и самой поверхностью Земли (рис. 1. ) [2].

Современные мировые энергетические потребности можно покрыть за счет солнечной энергии, падающей на площадь 20 тыс.км2 , что сос­тавляет 0,005 % земной поверхности. Если принять КПД солнечных энергетических устройств не более 10% , то территория Белоруссии могла бы удовлетворить мировые энергетические потребности.

В среднем годовое количество солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, составляет 2000-2500 кВт*ч/м2 в зонах пустынь и 1000-1500 кВт*ч/м2 в районах высоких широт. Необходимо отме­тить, что солнечная радиация распределяется на поверхности Земли гораздо равномернее, чем другие источники. По сравнению с тради­ционными источниками, солнечная энергия обладает малой плотностью и поэтому ее необходимо концентрировать для функционирования сов­ременных энергетических и технологических систем с помощью лиоконцентраторов. Интенсивность зависит от двух, факторов: угла накло­на лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лу­чей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h. Интенсивность облучения определяется выражением:

Е =J· cos i,

где J - интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность;

i - угол наклона луча к нормали этой поверхности.

В действительности полная энергия падающего излучения превышает прямую составляющую, так как присутствует еще и рассеянная (диффузная) составляющая, в которую входит излучение, рассеянное различными компонентами атмосферы.

Верхние слои Атмосферы






Рис.1. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли:

Т - отражение от поверхности Земли;

2 - отражение облаками;

3 - поглощение самой атмосферой,

4 - рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности;

5 - доля излучения, достигающая поверхности Земли
Рассеянное излучение составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее) ( табл.1 ).

Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально.

Обоснование использования солнечной радиации оценивается общей энергией, получаемой на поверхности земли в данное время дня и го­да. При этом учитывается вклад рассеянной компоненты излучения в общем объеме энергии. Интенсивность прямой составляющей рассчитыва­ется с учетом временных колебаний воздушной массы и изменения пу­ти лучей в атмосфере. Точность такого расчета зависят от состояния атмосферы (ее загрязнения, тумана, облачности и т.д.). Эти явле­ния уменьшают прямую составляющую, однако рассеянная компонента может значительно возрасти. При плотной облачности до Земли дохо­дит лишь рассеянная компонента.

Наилучшим методом оценки мощности солнечной радиации является непосредственное долговременное измерение ее интенсивности в различных зонах земного шара. В настоящее время существует несколько метеорологических станций, на которых непрерывно регистрируют инсоляцию.

Однако ориентировочные расчеты можно произвести для горизонтальной поверхности в любой точке земного шара. Для любого време­ни суток, заданного углом из уравнения (1); можно получить высоту Солнца h [1].
(1)



Где:





h - высота Солнца;

- широта, соответствующая расчетной точке;

 - угол, характеризующий угловые перемещения Солнца вокруг оси с широтой в зависимости от времени после полудня


(2)

δ - сезонное изменение кажущегося положения Солнца (угол склонения). Он изменяется от + 23,5° в летнее солнце­стояние до

(-23,5°) в зимнее солнцестояние. Для дру­гих времен года эту величину нужно брать из таблиц. Ее также можно найти из соотношения

(3)

- изменяет свой знак в соответствии со знаком Функции..

d - число дней, прошедших с момента весеннего равноденствия.

Интенсивность прямого излучения J определяется исходя из величины воздушной массы, единице которой соответствует путь, прой­денный лучами при вертикальном падении. Тогда для любой высоты Солнца h воздушная масса равна М =I/sin h. Интенсивность для любой данной поверхности равна Е=J·sin i, а для гори­зонтальной Е=J·sin h. Результаты вычислений инсоляции для различных широт при чистой атмосфере сведены в табл.1

Таблица 1
Инсоляции для различных широт при чистой атмосфере


Место-поло-

жение

Широта

Инсоляция, кВт ч / м2

наибольшее

значение за день

наименьшее

значение за день

годовое

значение

Экватор
Тропики

0
28,5

6,5 (7,5)
7,1 (8,3)

5,8 (7,8)
3,4 (4,2)

2200 (2300)
1900 (2300)

Средние широты

45

7,2 (8,5)

1,2(1-7)

1500(1900)

Центральная Англия

52

7,0 (8,4)

0,5 (0,8)

1500(1700)

Полярный круг

66,5

6,5 (7.9)

0(0)

1200(1400)

Первое значение соответствует прямой составляющей излучения, второе (в скобках) учитывает вклад рассеянной энергии. При восходе я заходе Солнца h= 0, На экваторе интенсивность солнечного излу­чения достигает максимума при равноденствии, когда азимут Солнца в течение всего дня равен 90° - оно как бы висит над головой. В период летнего и зимнего солнцестояний интенсивность солнечного излучения на экваторе минимальна. Летнее солнцестояние 22 июня, зимнее - 22 декабря. Моменты равноденствия 21 марта и 23 сентября (день равен ночи). Общее количество солнечного излучения за год определяет путем суммирования суточных данных. Изменение солнеч­ной радиации в течение года описывается кривой, по форме близко к синусоиде, максимум и минимум которой распределены сим­метрично в двух полугодиях. Из табл.2 видно, что дневное коли­чество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи широты 40°. Это следствие наклона земной оси к плоскости ее орби­те.

Интенсивность солнечного излучения в зимнее время с потае­нней широты резко падает, поэтому полное его количество за год в районе полярного круга составляет лишь половину его значения на экваторе. В таблице представлены данные для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнении атмосферы промышленными отходами приведенные данные следует уменьшить, по крайней мере, вдвое.
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проекту «Проект реконструкции гражданского здания»
Методические указания к курсовому проекту «Проект реконструкции гражданского здания» по дисциплине «Реконструкция, восстановление...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проектированию по курсу “Энергетическая...
Проектирование полупроводникового преобразователя. Методические указания к курсовому проекту по курсу “Энергетическая электроника”...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электрические передачи локомотивов»
Методические указания предназначены для студентов и слушателей специальностей «Локомотивы» и«Электрический транспорт»

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проекту по дисциплине: «Диагностика и то машин»
Курсовой проект предназначена для углубления знаний и закрепления умений студентов по основным разделам дисциплины

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconЭкологическая экспертиза
Методические указания по разработке раздела экологии в дипломных проектах для студентов специальности 290700 (270109) "Теплогазоснабжение...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Электроснабжение»
Методические указания по выполнению курсового проекта «Электроснабжение сельского населенного пункта» предназначены для студентов...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconН. Г. Демурчев, Л. А. Гимбицкая методические указания
Методические указания по выполнению и защите выпускных квалификационных работ для студентов физико-математического факультета специальности...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проектированию для студентов ш курса лхф специальности
Составитель: Мироненко Е. В. – кандидат с Х. наук, доцент кафедры садово-паркового и ландшафтного строительства бгита

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к выполнению курсовой работы рекомендовано...
Методические указания предназначены для выполнения курсовой работы по дисциплине «Строительная физика» для студентов специальности...

Методические указания к курсовому проекту по автономным системам тгв для студентов специальности 270109 Казань 2010 iconМетодические указания к курсовому проекту по предмету “Судовые автоматизированные...
Транспорт и транспортная инфраструктура” по специальности 07010407 “Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов” преподаватель...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов