ИДЗ по НИЭ номер 1
.docxМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт ЭНИН
Направление подготовки 140100 Теплоэнергетика и теплотехника
Кафедра Автоматизации теплоэнергетических процессов
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ № 1
по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
(Название дисциплины)
Вариант № 10 (В10)
Выполнил студент гр. 5Б1В _________ Опарин А. О.
(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)
Дата сдачи _____ _____________ 2014 г.
Проверила кандидат технических наук Матвеева А. А
(Степень, звание, должность) (Ф.И.О.)
Дата проверки _____ __________ 2014 г.
Подпись ___________
Томск 2014 г.
Расчет солнечной электростанции башенного типа
На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность FГ м2. Коэффициент отражения гелиостата RОТР. Максимальная облученность зеркала гелиостата ЕГ. Температура окружающей среды, t ос, °С.
Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность EПР. Коэффициент поглощения приемника АПОГЛ. Степень черноты приемника ПР.
В приемнике нагревается и испаряется рабочее тело (вода) до температуры t0. Давление рабочего тела составляет Р0. Полученный перегретый пар направляется в турбину мощностью NЭ, работающую по циклу Ренкина. Давление пара за турбиной составляет РК. Относительный внутренний КПД турбины OI. Механический КПД М=0,975. КПД электрогенератора г=0,985. Работой насоса, потерями тепла при его транспортировке, собственными нуждами - пренебречь.
Определить:
- расход пара на турбину D0, кг/с.
- площадь поверхности приемника FПР и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией. Принять, что конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.
- энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты (кВт).
- количество гелиостатов n.
- как изменится мощность СЭС, если вместо паротурбинной установки применить кремниевые преобразователи с КПД ФЭ =0,141, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов?
Таблица 1 – Исходные данные
Вариант |
В10 |
Поверхность гелиостата, FГ м2 |
38 |
Коэффициент отражения гелиостата, RОТР |
0,78 |
Максимальная облученность зеркала гелиостата ЕГ, Вт/м2. |
605 |
Максимальная энергетическая освещенность приемника, EПР, МВт/м2 |
1,95 |
Коэффициент поглощения приемника, АПОГЛ |
0,95 |
Степень черноты приемника ПР |
0,94 |
Начальная температура пара, t0, °С |
490 |
Начальное давление пара, Р0, МПа |
12,5 |
Мощность СЭС, NЭ, МВт |
4 |
Конечное давление пара, РК, кПа |
4,5 |
Относительный внутренний КПД турбины, |
0,84 |
Температура окружающей среды, tос, °С |
10 |
Решение:
1 – солнечная башня; 2 – приемник; 3 – гелиостаты; 4 – паровая турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор; 7 – насос
Рисунок 1 – Схема установки СЭС башенного типа
Рисунок 2 – Процесс расширения пара в турбине в h-s диаграмме
1 Расход пара на турбину:
Пользуясь таблицей термодинамических свойств воды и водяного пара, определим следующие параметры:
;
;
;
.
Определим располагаемый теплоперепад на турбину:
.
Определим действительный теплоперепад:
.
Расход пара на турбину:
2 Площадь поверхности приемника и тепловые потери в нем
Количество тепла, полученное приемником от солнца посредством гелиостатов:
Расход тепла на турбоустановку:
.
Тепловые потери приемника:
Удельные потери тепла с поверхности приемника за счет излучения рассчитываются по формуле:
.
Тепловые потери конвекцией определяются по формуле:
,
где начальная температура; температура окружающей среды, а чтобы определить коэффициент теплоотдачи , надо знать число Нуссельта (Nu), число Прандтля (Pr) и Грасгофа (Gr).
Определяем число Грасгофа:
,
где g – ускорение свободного падения, м/с2;
β – коэффициент теплового расширения, β=1/(tос+273), 1/град;
Δt – разность температур , град;
l – характерный размер (принять для всех l=1м);
коэффициент кинематической вязкости, м2/с (определяется по таблице «Физические свойства сухого воздуха»).
Число Прандтля Pr определяем по таблице «Физические свойства сухого воздуха» при температуре окружающей среды : Pr=0,705.
Определяем число Нуссельта:
, где постоянные С и n зависят от режима свободного движения и условий обтекания поверхности и определяются из таблицы.
Таблица 2 – Значения постоянных C и n
(Gr· Pr) |
С |
n |
Условия движения |
1·103 - 1·109… |
0,75 |
0,25 |
Вдоль вертикальной стенки |
6·1010 |
0,15 |
1/3 |
Вдоль вертикальной стенки |
1·103 - 1·109… |
0,5 |
0,25 |
На горизонтальной трубе |
Определяем произведение :
,
По таблице 2 находим постоянные C и n при условии движения вдоль вертикальной стенки: C=0,15 и n=1/3, тогда
.
Определяем коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией :
,
где λ – теплопроводность воздуха при tос. Определяется по таблице: при tос=10 ;
l=1 м – характерный размер (расчет потерь ведем с единицы длины).
Теперь можем рассчитать тепловые потери конвекцией:
.
Тепловые потери приемника:
.
.
Произведем итерационный расчет, задаваясь значением площади приемника от 1 до 8 м2 и вычислим
1)
;
;
2)
;
;
Погрешность:
Погрешность не превышает допускаемого значения.
3 Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты:
Из предыдущих вычислений
, при
4 Количество гелиостатов
Количество тепла, получаемое приемником через гелиостаты:
;
Подсчитаем количество гелиостатов:
Округляем до целого числа: .
5 Как изменится мощность станции, если вместо ПТУ применить кремниевые преобразователи, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов?
Для случая, когда вместо ПТУ применены кремниевые фотоэлементы, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов, мощность солнечной электростанции рассчитывается по формуле:
.
КПД кремниевого преобразователя: .
.
Очевидно, что при использовании кремниевых фотоэлементов мощность станции снижается почти в полтора раза (в 1,4 раз), что обуславливается низким КПД преобразователей.
Вывод:
В ходе решения задачи получили:
-
расход пара на турбину: ;
-
площадь поверхности приемника: ;
-
энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты: ;
-
тепловые потери приемника: ;
-
количество гелиостатов: .
Расчеты показали, что использование ПТУ позволяет получить большую мощность СЭС, по сравнению с кремниевыми преобразователями, что обуславливается низким КПД последних.