Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
ФГОУ
ВПО «Саратовский Государственный Аграрный Университет».
Факультет
Электрификации и Энергообеспечения.
Кафедра:
Энергообеспечения предприятий АПК.
Курсовая
работа
На
тему: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.
Саратов
2007г.
Содержание
Введение
Исходные
данные на проектирование
Расчет
плоского солнечного коллектора и экономии топлива
Расчет
биогазовой установки
Расчет
ветродвигательной установки
Список
литературы
Введение
В настоящее время проблема энергосбережения
становиться приоритетным направлением в нашей стране. Одним из эффективных
путей экономии в сельском хозяйстве дефицитного органического топлива является
использование возобновляемых и вторичных энергоресурсов.
Как известно проблема энергосбережения тесно
связана с проблемами энергетики, экономики и экологии.
Рассматривая нынешнее состояние Российской
энергетики можно с уверенностью прогнозировать увеличение спроса на установки и
устройства, которые используют не традиционные источники энергии.
Использование возобновляемых и вторичных
ресурсов наиболее приоритетны в сельском хозяйстве, т.к энергетические
установки на базе нетрадиционных источников - это не только путь к экономии
органического и другого вида топлива, но и возможность обеспечения энергией в
районах отдаленных от источников централизованного энергоснабжения.
Экологически чистые возобновляемые источники вторичные источники энергии
способствуют уменьшению загрязнения окружающей среды, а в некоторых случаях и
очистки местности от продуктов жизнедеятельность как органического, так и
животного происхождения, что значительно может помочь в утилизации кефалиевых
остатков, так и удалением м полей старой соломы, не методом его выжига, что
значительно может повысить урожайность в растениеводстве.
При этом получаемое дешевое топливо можно
использовать не очищенном, так и из него производить другой вод топлива,
например метанол из биогаза.
Также создавать газовые хранилища, где газ
храниться в сжиженном состоянии и также может быть использован как топливо в
двигателях внутреннего сгорания, что значительно позволит сэкономить во время
уборочной компании в летнее время.
Кроме этого возможно создание парников в которых
используется для отопления биогаз, а для удобрения перебродившая биомасса, при
этом продукты питания будут экологически чистыми без химических удобрений.
Исходные данные
Солнечный коллектор:
Расход горячей воды - 100 кг/с
Номер схемы и назначение - СНУ для отопления
Потребляемая температура воды - 95 ºС
Угол наклона коллектора - май - 47º
Коэффициент Ps
- 0,89
Коэффициент теплорасхода v - 4 Вт/м2К
Оптическая характеристика коллектора О - 0,53
Температура воды:
вход - 10 ºС
выход - 95 ºС
температура наружного вохдуха - +1 ºС.
Рис.1. Схема солнечной нагревательной
установки для отопления помещений:
- солнечный коллектор; 2 - расширительный бак;
3, 9 - дополнительные электрические источники теплоты; 4, 5 - краны; 6 -
водопроводная сеть; 7 - вентиль; 8 - бак-аккумулятор; 10 - отопительный прибор;
11 - регулятор; 12 - насос; 13 - фотореле.
БГУ:
Всего голов Nг=150
- 5 лет - 50%
,5 - 1 год - 20%
- 0,6 лет - 30 %
Температура брожения - 50 ºС
Продолжительность брожения - 13сут.
Температура:
воды - 50 ºС
биомассы - 16 ºС
режим процесса - непрерывный
система теплоснабжения - газовая.
ВЭУ.
Скорость ветра - v
= 24 м/с
Поверхность, омываемая лопастями А = 10 м2
Аэродинамический коэффициент Сх=0,88
Плотность воздуха p
= 1,23 кг/м3
Температура окружающей среды t
= 16 ºС
Давление окружающей среды - 1,013*105Па
Расчет плоского солнечного
коллектора и экономии топлива
Площадь поглощающей поверхности гелиоустановок
при наличии резервного источника теплоты:
A=1,16Mr(tr
- tx)/η∑qi
где Mr
- расход горячей воды в системе горячего водоснабжения или отопления, кг/сутки;qi
- интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2;
∑qi
- то же в сутки.
η - КПД установки
солнечного горячего водоснабжения.
Интенсивность падающей солнечной радиации для
каждого светового дня
qi=ps∙Is+pd
∙Id
где ps
и
pd - коэффициент
расположения солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной
радиации.
pd=cos2(b/2)
ветроэнергетический солнечный коллектор биогазовый
где b
- угол наклона коллектора к горизонту;
Is
- интенсивность падающей солнечной радиации, которая приходится на
горизонтальную поверхность, Вт/м2;
Id
- интенсивность рассеянной радиации, которая падает на горизонтальную
поверхность, Вт/м2;
Значение qi
для солнечных коллекторов южной ориентации следует принимать в интервале с 8-ми
утра до 16-ти дня. При отклонении на восток или запад на каждые 15°
отклонения значение qi
будет отклоняться на 1 час раньше или позже (с 7-ми утра по 1500 или
с 900 по 1700).
Is5=208+302+371+418+429+418+382+338=2866
Вт/м2
pd5=127+152+185+197+208+208+185+185=1447
Вт/м25=2866*0.89+1447*0.84=3766.2
Вт/м2
где ν - приведенный
коэффициент теплорасхода солнечного коллектора, Вт/(м2∙К);
Θ - приведенная оптическая
характеристика коллектора;
t1 и t2 -
температура воды на входе и выходе из коллектора соответственно;
tH - средняя
дневная температура наружного воздуха, 0С.
Принимаем площадь поглощающей
поверхности 1-го коллектора Ак=2м2, габаритные размеры 2
х 1 м.
Объем бака аккумулятора:
V=( 0,06 -
0,08)A=0,06·36=2,16
м3
Минимальная поверхность нагрева для
теплообменного аппарата, м2:
где Ф - тепловая мощность системы
горячего водоснабжения и отопления, Вт;
КТА - коэффициент
теплопередачи теплообменного аппарата, для трубчатых теплообменников можно
принять КТА =1500-1700 Вт/(м2*К);
ΔtТА. - разность
температур; в данном случае:
ΔtТА.=( tmax+tmin)/2
tmax и tmin -
соответственно максимальный и минимальный перепады температур на входе и выходе
(на концах) теплообменника.
Ф = 3766,2*36=135583,2 Вт
ΔtТА.=(
95+10)/2=52,5 ˚С
Примем латунные трубы dН/dВ=14/12. мм,
тогда минимальная длинна трубы:
Количество теплоты, выработанной гелиоустановкой
за сезон Qсез, ГДж:
Qсез=ηсез*qпад*А
где qпад - годовые
суммы падающей солнечной радиации.
Интенсивности прямой солнечной
радиации для сезона работы по месяцам:
Is 4 =
127+208+279+302+313+313+279+232 = 2053 Вт/м2s
6
=
244+324+429+451+451+429+418+371 = 3117 Вт/м2s
7 =
232+329+360+407+418+396+371+313 = 2826 Вт/м2s
8
= 152+244+313+360+371+360+324+279 = 2403 Вт/м2s 9 =
80+138+197+232+244+232+221+185 = 1529 Вт/м2
Интенсивности рассеянной солнечной
радиации для сезона работы по месяцам:
Id 4 =
105+138+185+208+221+232+208+185 = 1485 Вт/м2
Id 6 =
127+163+185+197+208+221+208+185 = 1494 Вт/м2
Id 7 =
127+163+197+206+221+232+221+208 = 1575 Вт/м2
Id 8 =
116+138+174+197+208+208+197+174 = 1412 Вт/м2
Id 9 =
69+116+138+163+174+174+163+138 = 1135 Вт/м2
qпад = 0.89
(2053*30 +2866*31+3117*30 +2826*31+2403*31+1529*30)+ 0.84(1485*30+1447*31+1494*30+1575*31+1412*31
+1135*30) = 402204.35 +219134.16 =621338.51 Вт/м2
Значения ηсез в
зависимости от характеристик солнечных коллекторов Ас, м2/(ГДж∙
сутки) и Vc, м3/(ГДж∙
сутки), которые соответствуют единице суточной тепловой нагрузки систем
горячего водоснабжения или отопления.
ηсез = 0,38
Количество условного топлива
сэкономленного, благодаря использованию солнечной радиации, условного топлива,
т/сез:
ηзам - КПД
замененного источника теплоты;
(если это электричество, то ηзам=ηэ=0,3)
т
Расчет биогазовой установки
Суточный выход биомассы для
сбраживания в метантенке определяется по формуле:
где Ni количество
животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;
mj - суточный
выход навоза или помета от одного животного или птицы;
n -
количество групп животных.
n = 3
N1 = 150*0,50
= 75 гол. m1 = 35 кг/сут
N2 = 150*0,2 =
30 гол. m2 = 15 кг/сут
N3 = 150*0,3 =
45 гол. m3 = 10кг/сут
mсут =
75*35+30*15+45*10 = 3525 кг/сут
При ежедневной уборке чистого навоза
его влажность доходит до 95%. Если уборка осуществляется периодически, то в
навозе содержится 12-18% подстилки (опилки, сухой песок, солома); 12-30%
остатки корма; 18-20% грунта и других примесей. Для приближенных расчетов
содержание прочих примесей учитывается коэффициентом Кп=1,3-1,6.
При этом в зависимости от
температуры окружающей среды и содержания сухих примесей влажность отходов
снижается на 10-15% (за 3-5 дней). С учетом коэффициента Кп суточный
выход навозной массы определяется по формуле:
где Кп - принимаем равным
1,5.
кг/сут
Масса сухого вещества в навозе mс.в.:
;
где W% -
влажность навоза (для свежего навоза Wсв=90-95%; для
навозной массы через 3-5 дневного сбора W=80-85%;
через неделю в бурте на открытом воздухе W=65-70%)
Если принять Wсв=85%, тогда
кг/сут
Масса сухого органического вещества mсов:
где Рс.о.в - содержание
сухого органического вещества; в навозе составляет 77-85%, если принять Рс.о.в=80%,
тогда
кг/сут
Выход биогаза при неполной
продолжительности сбраживания, Vв.б.н.
Vпол.б.- выход
биогаза при полном сбраживании. n1 - степень
сбраживания субстрата, n1=60-70%.
Выход биогаза при полном сбраживании
-
Vпол.б.=mc.o.в•nск=634,5•0,315=200
м3.
nс.к - средний
выход биогаза с 1 кг органического вещества nс.к≈0,315
м3/кг.
Выход биогаза при неполном
сбраживании
м3.
Для брожения влажность доводим до
92%. Чтобы увеличить влажность биомассы на 1%, на одну тонну навоза надо
добавить 100 литров воды. При доведении влажности ежесуточного общего выхода
навоза с 85% до 92% вес массы навоза составит:

3525+3525∙0,7=6000 кг
Объём метантенка при полной
загрузке:
м3
принимаем один реактор объемом 90 м3
Тепловой расчет реактора.
Потеря теплоты в метантенке
определяется по формуле:
Qт.р.=Qп+Qо.с.+Qмех.
где Qп- потери
теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;
Qо.с. - потери
теплоты в окружающую среду;
Qмех - расход
энергии на перемешивание биомассы в процессе брожения.
Количество теплоты, которая
расходуется на подогрев биомассы загруженной на протяжении суток до температуры
брожения, МДж/сутки, равно:
Qп=
•Сс•(tб-tз.м) 86400
mсут - суточная
загрузка биомассы доведенной до влажности 90-92%;
Сс - теплоемкость
субстрата (принимается равной теплоемкости воды - 4,18•10-3 МДж/(кг•К));
, при
=
=
˚С
Qп=6000∙4,8∙10-3
∙(50-20)=752,4 МДж/(кг∙К∙сут)
Теплопотери от метантенка в
окружающую среду, Вт, определяется по формуле:
Qо.с=к•F•(tб-tо.с)∙86400.
где к - коэффициент теплопередачи от
биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2•К).
F - площадь
наружной поверхности реактора, м2.
tо.с -
температура окружающей среды, °С.( tо.с=7,1°С)
tБ -
температура биомассы, °С.( tб=50°С)
Для цилиндрических реакторов,
принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3 по
значению Vр можно найти
F. принимая
H=1,2D находим
;:
м
Н=1.2∙4.57=5.5м
м2
Коэффициент теплоотдачи от биомассы
в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2•К)
;
αв и αн коэффициенты
теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м2•К).
Учитывая, что скорость движения биомассы в процессе её механического
перемешивания незначительна (0,5…1 м/мин) можно считать, что процесс
теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях
свободной конвекции. С небольшой погрешность то же самое можно принять для
теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающей среде (в землю,
воздух в закрытом помещении, теплоизоляционный слой и т.д.).
Определяем коэффициент теплоотдачи
со стороны биомассы (или воды в водяной рубашке) по упрощенной формуле
Нуссельта:
,
где В' рассчитывается по приближенной
формуле:
В'=5700+56tб-0,09tб2.
tб -
температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева). Δt=tб-tст1.
Зная, что температура внутренней
поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева)
могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности
наружной обечайки tст1 принимаем tст1=49,5 °С
(при обогреве биомассы водяной рубашкой), Δt=tст1-tб=50,0-49,5=0,5
°С. H - высота
реактора рассчитанная выше (H=5,5 м).
Тогда: В'=5700+56•50-0,09•502=8275.
Вт/(м2•К).
После расчета В' и α1 находим
ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или
земли).
Здесь - δст - толщина
стенки реактора. Для стальных реакторов δст=5мм,
λст -
коэффициент теплопроводности материала, для стали λст=40 ккал/м2•ч•град.
(δ/λ)загр.-
коэффициент загрязненности поверхности. Для стальной поверхности покрытой
битумом (δ/λ)загр.=1/1500.
q - тепловое
напряжение или тепловой поток, q=α1• Δt.
Зная величины tст1, δст, λст,
(δ/λ)загр и q находим tст2.
q = α1• Δt=7390∙0,5=3695
Вт/м2
°С.
Для расчета коэффициента теплоотдачи
от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле α2 необходимо
знать температуру tст3. т.е.
температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:
.
Однако здесь необходимо знать искомую
α2. Для
приближенных расчетов при tст1<50°C можно
принять
.
Δtизол. - перепад
температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Δtизол.=(0,9…0,95) tст2.
При Δtизол.=0,95tст2=0,95•42,7=38,43°С.
= 42,7-38,43=4,27 °С.
άН=9.3+0.465
+7√V
примем V=4м/с -
скорость ветра
άН=9.3+0.465∙4,27+7√4=25,3
Вт/(м2•К).
Qо.с=111.5•0.198•(50-7.1)∙86400=81.83∙106Дж/сут=81.83МДж/сут
Расход энергии на перемешивание
субстрата в метантенке определяют по формуле:
Qмех=gнорм•Vр.п.з•tz
где gнорм - удельная
нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона
лопастей gнорм=(50…80)
Вт/м3•час.
Vр.п.з - объём
реактора заполненный субстратом, м3. Vр.п.з=90 м3;
tz -
продолжительность работы мешалки.
За сутки tz=tz'•n', где tz' -
продолжительность перемешивания за один раз, tz'=3-5 минут;
n' - число
перемешиваний, n'=6-12 раз.
Принимаем tz'=5 мин, n'=12 получим
tz=5•12 = 60
минут =1 час.
Qмех=80∙90∙1=7200
Дж/сут=7.2 кДж/сут
Qт.р.=752,4+81,83+0,0072=834,23
МДж/сут
Тепловая энергия, получаемая из
биогаза, выделившегося за сутки:
а) При полном брожении:
Qб.г=Vпол.б•Нuб.г
где Vпол.б=200 м3/сутки;
Нuб.г- низшая
теплота сгорания биогаза Нuб.г=22-28МДж/м3.
Qб.г=200∙25=5000
МДж/сут
б) При неполном брожении субстрата:
Qв.б.н. = 140∙25=3500
МДж/сут
Общая суточная выработка энергии
БГУ, МДж.
EБ.Г.У=Qб.г - Qт.м =Qб.г - (Qп + Qо.с + Qмех).
EБ.Г.У=3500-834,23=2665,77
МДж/сут
КПД БГУ, в %-ах
Считая, что БГУ в год
останавливается на техническое обслуживание и ТР не более 20 дней, экономию
условного топлива, за счет полученного в течение года биогаза, можно рассчитать
по формуле:
кг=31,389 т
Здесь Др.г.-дни работы
БГУ в году, Др.г.=345дн.
Расчет ветродвигательной установки
Действие F силы на
тело произвольной формы определяется по уравнению:
где А - сечение ветроколеса; Сх -
аэродинамический коэффициент, определяемый по графикам, ρ-плотность
воздуха, кг/м3,
υ -
скорость ветра.
Н
Обозначим через «u» скорость
вращения лопатки ветроколеса. Очевидно, относительная скорость набегающего
ветра будет υ
- u. Тогда
сила F:
м
- Если принять n=100 об/мин.
метр/сек; Fx=
Н
Тогда мощность:
=156*18,63=2906Вт.
Отношение работы, развиваемой
движущейся поверхностью А, к энергии ветрового потока
, имеющего
поперечное сечение А называется коэффициентом использования ветра:
Для параметров окружающей среды
t=0С° и Р=1,013•105 Па=0,481•D2•υ3•η•10-3, (π=3,14;
ρ=1,23)
=0,481•(2*1,78)2•243•0,03•10-3=2528
Вт
[При t=0°С и Р=1,013•105]=0,5074•D2•υ3•η•10-3=0,5074•(2*1,78)2•243•0,03•10-3=2667
Вт
Быстроходность ветродвигателя Z:
На рисунке приведена принципиальная
схема ветроогрегата:
Список литературы
1. Агрегат ветроэлектрический унифицированный
типа АВЭУ6-4М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.:
ВЕТРОЭН, 1986.-34 с.
. Усаковский В.М. Возобновляющиеся источники
энергии. - М.: Россельхозиздат, 1986. - 126 с.
. Тверитин А.В. Использование
ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1985. - 60
с.
. Правила устройства электроустановок. Минэнерго
СССР. - 6-е изд., перераб. и доп. - Красноярск: Красный Яр, 1998 -656 с.