- •Федеральное агентство по образованию
- •Оглавление
- •1. Введение
- •Солнечная энергетика
- •Недостатки и преимущества различных видов энергии
- •Терминология
- •Сравнительная стоимость электроэнергии
- •2. Сведения из сопутствующих технических дисциплин
- •2.1. Закон сохранения энергии, уравнение Бернулли.
- •2.2. Закон сохранения количества движения
- •2.3. Вязкость
- •2.4. Турбулентность
- •2.5.Трение при течении в трубах
- •3. Теплоперенос
- •3.1. Метод тепловой цепи и терминология
- •3.2. Теплопроводность
- •3.3. Конвективный теплообмен
- •Вынужденная конвекция
- •Cвободная конвекция
- •Расчёт конвективного теплообмена
- •3.4. Радиационный перенос
- •Серые тела имеют диффузно излучающую поверхность, у которой коэффициенты
- •3.5. Свойства прозрачных веществ
- •3.6. Теплоперенос посредством теплоносителя
- •3.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь
- •4. Солнечное излучение
- •4.1. Космическое солнечное излучение
- •4.2. Геометрия Земли и Солнца
- •Расположение приёмника относительно Солнца
- •Поглощение в атмосфере
- •Оценки солнечной энергии
- •5. Нагревание воды солнечным излучением
- •5.1. Расчёт теплового баланса
- •5.2. Открытые нагреватели
- •5.3. Закрытые нагреватели
- •Эффективность плоского пластинчатого приёмника.
- •5.4. Системы с изолированным накопителем.
- •5.5.Селективные поверхности.
- •5.6. Вакуумированные приёмники
- •6. Другие применения солнечной энергии
- •6.1. Подогреватели воздуха
- •6.2. Зерносушилки
- •Водяной пар и воздух
- •Влажность сельскохозяйственных продуктов
- •Энергетический баланс и температура просушки
- •Пассивные солнечные системы
- •Активные солнечные системы
- •6.4. Охлаждение воздуха
- •6.5. Опреснение воды
- •6.6. Солнечные пруды
- •6.7. Концентраторы солнечной энергии
- •Обычно выбирают
- •6.8. Солнечные системы для получения электроэнергии.
- •7. Фотоэлектрическая генерация.
- •7.1. Поглощение фотонов.
- •8. Энергия ветра
- •8.1. Ветроэнергетический кадастр
- •8.2. Классификация ветроустановок
- •Технико – экономические характеристики зарубежных вэу
- •8.3. Основы теории ветроэнергетических установок. Преобразование энергии ветра
- •Мощность ветроколеса
- •8.4. Лобовое давление на ветроколесо
- •8.5.Крутящий момент.
- •8.6. Характеристики ветра.
- •8.7. Использование ветроколесом энергии ветра.
- •8.8. Удельные мощность и энергия ветрового потока.
- •8.9. Производство механической работы
- •9.Гидроэнергетика.
- •9.1. Основные принципы использования энергии воды.
- •9.2. Активные гидротурбины.
- •9.3. Размер струи и размер сопла.
- •9.4. Размер колеса турбины и его угловая скорость.
- •9.5. Реактивные гидротурбины.
- •9.6. Гидроэлектростанции.
- •Основные технические характеристики микрогидроэлектростанций
- •Основные технические характеристики гидроагрегатов с пропеллерными
- •10. Геотермальная энергия.
- •11. Энергия Мирового океана.
- •11.1. Энергия приливов и отливов.
- •11.2. Основы теории приливов.
- •11.3. Мощность приливных течений.
- •11.4. Энергия волн.
- •11.5. Энергия и мощность волны.
- •11.6. Отбор мощности от волн.
- •11.7. Утка Солтера. Утка Солтера является устройством, обладающим весьма высокой эффективностью преобразования энергии волн. Форма её обеспечивает максимальное извлечение мощности.
- •11.8. Преобразование тепловой энергии океана.
- •12. Энергия биомассы.
- •12.1. Классификация основных типов процессов, связанных с переработкой биомассы.
- •Биохимические
- •Агрохимические
- •12.2. Производство биомассы для энергетических целей.
- •12.3. Сжигание биотоплива для получения тепла.
- •12.4. Пиролиз (сухая перегонка).
- •Выход этанола из различных культур Бразилии
- •12.5. Получение биогаза путём анаэробного сбраживания.
- •13. Аккумулирование и передача энергии на расстояние.
- •Химическое аккумулирование.
- •Аккумулирование тепла.
- •Свинцово – кислотные батареи.
- •Механическое аккумулирование.
- •Маховики.
- •Сжатый воздух.
- •Транспорт биомассы.
- •Транспорт тепла.
- •14. Заключение
- •Динамика прироста мощностей ветроустановок в мире
- •Стоимость угля, нефти и газа растёт, а их природные ресурсы сокращаются.
- •Литература
3.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь
При анализе процессов теплопереноса используется метод тепловых цепей с параллельным, последовательным и комбинированным соединением термических сопротивлений.
Теплоёмкость. Тепловая энергия может накапливаться в различных телах точно также, как электрическая в конденсаторах. Рассмотрим ёмкость с горячей водой, окружённую средой с температурой Тс. Тепловой поток от ёмкости в окружающую среду определяется уравнением:
- m*c*(d/dt)*(T1 – Tс) = (T1 – Tс)/R1,с , (3.33)
где знак (-) означает, что Т1 уменьшается, eсли (Т1 – Тс) положительна: R1,с - результирующее термическое сопротивление тепловому потоку, включающее конвекцию, излучение и теплопроводность.
4. Солнечное излучение
Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125%
Этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. Однако препятствием этому является низкая эффективность солнечного излучения. Наибольшая плотность солнечного излучения в коротковолновом диапазоне с длиной волны 0,3-2,5мкм составляет примерно 1кВт/м2 и включает видимый спектр.
Для различных районов в зависимости от места, времени суток, и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день. Особенно привлекательны южные районы Сибири и Дальнего Востока.
4.1. Космическое солнечное излучение
Температура поверхности Солнца- 58000К. Солнечная постоянная над атмосферой Земли
равна Go =1353ВТ/м2. Солнечный спектр можно разделить на три основные области:
- ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 Мкм)- 9 % интенсивности;
- видимое излучение (0,4мкм< λ<0,7мкм) – 45% интенсивности;
- инфракрасное излучение (λ≥ 0,7мкм) -46% интенсивности.
Все три области относятся к коротковолновому диапазону. На поверхности Земли регистрируется как прямой поток, так и рассеянное атмосферой излучение. Отношение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения от 0,9 в ясный день до нуля в пасмурный день. Полная облучённость есть сумма интенсивности направленного и рассеянного излучения:
G = Gн+ Gр. (4.1)
4.2. Геометрия Земли и Солнца
Рис.4. 1.Схема определения широты φ и долготы ψ. 1.- экваториальная плоскость; 2 - меридиональная плоскость.
На рис. 4.1.изображена Земля. Она обращается за 24 часа вокруг своей оси. Ось перпендикулярна экваториальной плоскости Земли. Точка С – центр Земли. Точка Р на поверхности Земли характеризуется широтой φ и долготой ψ. Величина φ положительна для точек, лежащих севернее экватора, отрицательна – для точек южнее экватора. Величина ψ положительна к востоку от Гринвича. Вертикальная плоскость – меридиональная. Точки Е и G = точки на экваторе, имеющие те же долготы, что и точка Р и Гринвич соответственно. Один раз каждые 24ч Солнце попадает в меридиональную плоскость. Это – полдень по солнечному времени для всех точек, имеющих данную долготу. Полдень не обязательно совпадает по солнечному времени с двенадцатью часами, т. к. единое установленное время в часовом поясе в пределах 150 долготы. Земля обращается вокруг Солнца за год. Направление земной оси остаётся фиксированным в пространстве под углом σ0 = 23,50 к нормали к плоскости вращения (рис.4.2).
Рис.4.2. Схема вращения Земли вокруг Солнца. Сплошная линия на поверхности Земли – экватор.
Угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью называется склонением σ и является мерой сезонных изменений. Мысленно проведём линию от центра Земли до Солнца, пересекающую поверхность Земли в т. Р на рис.4.1. В этом случае σ представляет собой угол φ на рис. 4.1. Таким образом, склонение есть широта точки, для которой Солнце находится в зените в полдень по солнечному времени. Как следует из рис.4.3. в северном полушарии σ плавно меняется от σ0 = +23,50 в период летнего солнцестояния до σ0 = -23,50 в период зимнего солнцестояния. Аналитически получено:
σ=σ0Sin[3600(284+n)/365], (4.2)
где n- день года [n=1 соответствует 1 января]
Суточная облучённость H есть полная энергия солнечного излучения, которая приходится на единицу площади поверхности за день:
H = ∫ G*dt (4.3)
Рис. 4.3. Схема освещения поверхности Земли солнечным излучением в различные времена года. Отмечены широты 00; ± 23,50; ±66,50. Видно, как меняется склонение σ. Стрелками обозначен поток солнечного излучения.
Рис. 4.4. Сезонные изменения облучённости Hh горизонтальной приёмной площадки в ясный день на разных широтах.
Летом Hh ≈25 Мдж/м2*сут. во всех широтах. Зимой Нh в высоких широтах много меньше вследствие более короткого дня, косого падения лучей и большого ослабления атмосферой (Римскими цифрами обозначены месяцы). На рис. 4.4.показано изменение суточной облучённости в зависимости от широты местности и времени года. Приведённые на рис.4.4. значения соответствуют измерениям при ясном небе в горизонтальной плоскости. Сезонные изменения определяются тремя основными факторами.
1.Изменением продолжительности дня. Например, на широте 480 продолжительность дня (N) меняется от 16ч в период летнего солнцестояния до 8ч в период зимнего солнцестояния. В полярных широтах N=24ч (летом) и N=0(зимой).
2. Ориентацией приёмной площадки.
3. Изменением поглощения в атмосфере. Атмосфера Земли ослабляет поток солнечного излучения.