- •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
11.5. Энергия и мощность волны.
Полная кинетическая энергия на единицу ширины волнового фронта и единицу длины вдоль направления распространения волны равна:
Ек = ρ*а2*g/4 = Еп, (11.17.)
Еп - потенциальная энергия.
Полная энергия на единицу площади поверхности волны:
Е = Ек +Еп = ρа2g/2. (11.18.)
Кинетическая и потенциальная энергии равны между собой.
Выражение для энергии на единицу ширины волнового фронта и на единицу длины волны вдоль направления его распространения запишем в виде:
Еλ = Е*λ = ρ*а2*g*λ/2. (11.19)
Но λ = 2πg/ω2,так что
Еλ = π*ρ*а2*g2/ω2 , (11.20.)
или, так как Т = 2π/ω
Еλ = ρ*а2*g2*Т2/4π (11.21.)
11.6. Отбор мощности от волн.
uф = λ/Т – фазовая скорость волны.
Выражение для мощности, переносимой в направлении распространения волны на единицу ширины волнового фронта имеет вид:
Р′ = ρ*g*a2*uф/4 = ρ*g*a2*λ/4T. (11.22.)
Мощность Р′ равна полной энергии (кинетическая + потенциальная) Е в волне на единицу площади поверхности, умноженной на величину u = uф/2 – групповую скорость волн на глубокой воде, с которой волны переносят энергию:
Р′= Е*u = E*uф/2. (11.23.)
uф = ω/к = g/ω = g/(2πT), k = ω2/g, H = 2a.
P′ = ρ*g2*a2*T/8π = ρ*g2*H2*T/32π. (11.24.)
Мощность, переносимая волнами, увеличивается прямо пропорционально квадрату амплитуды и периоду. Именно поэтому особенно привлекательны длиннопериодные волны океанской зыби, обладающие значительной амплитудой.
11.7. Утка Солтера. Утка Солтера является устройством, обладающим весьма высокой эффективностью преобразования энергии волн. Форма её обеспечивает максимальное извлечение мощности.
Рис. 11.7. Утка Солтера и её эффективность. Тz – продолжительность промежутка времени между минимумами волн.
Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо. Теряется примерно 5% мощности волн Размер реальной утки 10 – 15м.
11.8. Преобразование тепловой энергии океана.
В океане между поверхностными и донными водами достигается разность температур до 200С.
Рис. 11.8. Схема преобразования тепловой энергии океана. Тепловая машина использует перепад температур между поверхностными и глубинными водами океана. 1 – подача тёплой воды; 2 – испаритель; 3 – насос подачи рабочего тела; 4 – турбина; 5 – генератор; 6 – конденсатор; 7 – подача холодной воды; 8 – поверхность океана; 9 – океанские глубины.
Поток тёплой воды с объёмным расходом Q поступает в систему при температуре Тh = Tc + ΔT, забранной с поверхности океана и покидает её при температуре Тс (температура холодных глубинных вод). При определении Ро делаем предположение об идеальном теплообменнике. При этом ΔТ=Тh - Тс.
Ро = ρ*с*Q*ΔТ. (11.25.)
Механическая мощность:
Рм = ηк*Ро, (11.26.)
где ηк = ΔТ/Тh - КПД идеальной машины Карно, работающей при перепаде температур между Тh и Тс = Тh – ΔT.
Идеальная механическая выходная мощность преобразователя тепловой энергии равна:
Рм = (Q*c*ρ/Th)*(ΔT)2. (11.27.)
Ввиду того, что Рм зависит от (ΔТ)2, экономическую привлекательность имеют районы, где ΔТ≈ 150С. Такие районы лежат в тропиках.
Теплообменники передают тепло от одной жидкости к другой, не позволяя им смешиваться. В таком теплообменнике поток воды движется по трубам, омываемом рабочим телом. Основные неприятности возникают из-за низкой теплопроводности самой морской воды. Для преодоления всех термических сопротивлений при теплопередаче необходим определённый перепад температур σТ.
Пусть Рвф – тепловой поток от морской воды (в) к рабочему телу жидкости
(ф). Тогда
Рвф = σT/Rвф (11.28.)
где Rвф – сопротивление теплопередаче от воды к рабочему телу.
Аналогичное падение температуры σТ будет наблюдаться и во втором теплообменнике при передаче тепла от рабочего тела к морской воде, то действительный перепад температур, приводящий в действие тепловую машину, будет равен не ΔТ, а
Δ2Т = ΔТ - 2σТ. (11.29.)
Рис. 11.9. Кожухотрубный теплообменник.
Рис. 11.10. Сопротивление теплопередаче через стенку теплообменника.
Для идеальной тепловой машины Карно выходная мощность равна:
Р2 = [(ΔТ - 2σТ)/Тh]*(σT/Rвф). (11.30.)
Трубы теплообменника должны быть сделаны из, хорошо проводящего тепло, металла и их должно быть достаточно много, чтобы они могли обеспечить необходимую площадь рабочей поверхности. Полное термическое сопротивление можно выразить через удельное термическое сопротивление rвф и общую площадь стенок Авф^
Rвф = rвф/Aвф. (11.31.)
Необходимый расход воды через теплообменник определяется отбираемой от него мощностью, теплопередачей и абсолютными значениями температур.
Мощность, отдаваемая горячей водой, равна:
Рhв= ρ*c*Q*(Thвin - Thвout). (11.32/)
при падении температуры
Тhвin - Thвout = ΔT – 2σT. (11.33.)
Внутренние поверхности трубок теплообменников уязвимы для оседания морских организмов, что увеличивает сопротивление теплопередаче. Биообрастание – одна из главных проблем при проектировании таких станций.
Рис. 11.11. Подводная платформа для ОТЭС электрической мощностью 400 МВт. Платформа может быть установлена на якоре при любой глубине моря. 1 – платформа; 2 – трубопровод холодной воды; 3 – распорка; 4 - бридель; 5 – шарнир; 6 – трапеция; 7 – якорный трос; 8 – якорь.
В качестве рабочего тела аммиак, фреоны или воду. При использовании воды, её температуру кипения необходимо понизить до температуры поверхностных вод за счёт вакуумирования.