Основы энергосбережения

Министерство образования  Республики Беларусь 
Белорусский национальный технический университет 
Кафедра "Экономика и организация машиностроительного производства"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Основы энергосбережения»

 

 

 

Вариант 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 303219                    _____________ Истомина Д.Н. 
 
 
Проверил: преподаватель                             _____________  Янцевич И.В.

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Содержание

 

 

1 Гелиоэнергетика 3

2 Потенциальные возможности гелиоэнергетики 3

3 Гелиосистемы 6

4 Гелиоэнергетика в Беларуси 9

Список использованных источников 13

 

 

1. Гелиоэнергетика

 

В настоящее  время человечество активно внедряет новые экологически чистые источники энергии. Первый бурный переход на новые источники энергии состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно - конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. В настоящее время человечество вновь переживает очередной этап перехода на новые источники энергии, который начался в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2020 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. В течение этого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как гелиоэнергетика и тепловые насосы.

Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. Гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики

 

Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность  потока солнечной радиации вне атмосферы  Земли равна 1,4 кВт/м², а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м².

Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая  нашей планетой, составляет 1,7×1014 кВт. Мощность солнечной радиации колоссальная, примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые могут составить 3×1011 кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 1018кВт/ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Распределение солнечной радиации на Земле представлено на рисунке 1.

 

 

 

Рисунок 1 - Распределение солнечной  радиации

 

 

Из общего количества поступающей  на Землю солнечной радиации

• около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения,

• 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения,
• другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе,
• около 0,2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны.
• и только 0,02% солнечной радиации захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете.

Однако следует  учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через  единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения  угла солнца над горизонтом). Зимой  в умеренных широтах значение потока солнечной радиации в два  раза меньше. На рисунке 2 показана Карта солнечного излучения планеты Земля.

 

Рисунок 2 - Карта солнечного излучения планеты Земля

 

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

1. Солнечная энергия доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому солнечная энергетика привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.
2. Солнечная радиация — это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.
3. Солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

 

Но существует также ряд существенных недостатков  использования солнечной энергетики:

 

1. Зависимость от погоды и времени суток.
2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
3. Высокая стоимость конструкции.
4. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
5. Нагрев атмосферы над электростанцией.

 

 

Основными направлениями использования солнечной  энергии считаются:

1. превращение солнечной радиации в электрическую энергию:

• получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

• преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин (паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга и т.д.);
• гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);
• термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
• солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием), запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

2. получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения (с помощью гелиосистем).

3. Гелиосистемы

 

Гелиоустановка - устройство, улавливающее солнечную энергию и преобразующее ее в другие, удобные для практического использования виды энергии.

Получение тепла путем прямой абсорбции  солнечного излучения представляет наиболее простой по технической  реализации способ использования солнечной  энергии. Тепло, получаемое в результате прямой абсорбции солнечной радиации, используется для нагрева воды солнечными коллекторами, обогрева помещений, сушки  материалов и продуктов сельскохозяйственного  производства. Большой практический интерес к обогреву помещений  и получению горячей воды с  помощью гелиосистем обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40% производимой энергии  потребляется на так называемые низкотемпературные нагревы (<100°С).

Различают пассивное и активное использование  солнечной энергии. Пассивное —  возведение зданий, имеющих такие  конструктивно-планировочные решения, при которых солнечная энергия воспринимается и аккумулируется самими строительными конструкциями (степами, полами, перекрытием здания).

Активное  предусматривает наличие систем, в которых солнечная энергия нагревает теплоноситель, направляемый далее для обогрева помещений или горячего водоснабжения.

При пассивном  использовании солнечной энергии  наряду с комплексом конструктивно-планировочных   решений используют простейшую гелиоустановку, получившую название солнечной стены (пассивная система солнечного отопления).

В системах активного использования солнечной энергии применяют низкотемпературные (без концентрации солнечной энергии) и высокотемпературные гелиоустановки с различными гелиоконцентраторами.

 

Низкотемпературные  гелиоустановки — застекленные наклонные  поверхности называют плоскими солнечными коллекторами. Полученная в них теплота  переносится теплоносителем (жидкостью  или воздухом) в зону непосредственного использования или аккумулирования. Основная функция солнечного коллектора - передача лучистой энергии Солнца теплоносителю. Такие коллекторы используют в системах теплоснабжения, отопления и опреснения.

В зависимости  от вида теплоносителя применяют  жидкостные или воздушные коллекторы. Наиболее распространена конструкция  типа "горячий ящик", основным элементом которой является теплоприемник. Удвоение размеров коллектора не всегда приводит к двукратному увеличению количества полезно поглощенной теплоты. Количество энергии, полученное поверхностью, будет наибольшим, если она обращена строго на юг. Практически коллекторы устанавливают с отклонением 15—20° от оптимальной ориентации, и это незначительно уменьшает его производительность. Для круглогодичного коллектора угол облученности, равный широте местности, является оптимальным. При использовании коллектора преимущественно летом максимальная плотность радиации будет при угле наклона, равном широте местности, минус 15°, а зимой — при угле наклона на 15° больше широты местности.

В современных коллекторах применяют теплоприемники для жидкостных систем трех конструктивных типов:

• волнистый лист с открытой поверхностью, по которой течет жидкость;
• использующие принцип "труба в листе", в которых каналы отформованы в теле теплоприемника;
• устраиваемые наложением труб на пластину с лицевой или тыльной стороны по отношению к солнцу.

Плоские коллекторы воздушного типа, при которых в качестве теплоносителя используют воздух, применяют для теплоснабжения зданий и отопления помещений всех типов, особенно в случаях, когда не предусматривается или предусматривается в незначительной степени охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд. Воздушные системы обходятся дешевле, так как требуют меньше трубопроводов и деталей. Они свободны от сложностей жидкостных систем: проблемы возможного замерзания жидкости, необходимости учета ее расширения при нагреве в системе, включая возможность парообразования, течи системы и коррозии металлических поверхностей. Применение селективных покрытий коллектора воздушного типа при прочих равных условиях повышает эффективность его работы на 50—65% при низких рабочих температурах и на 15—35% при повышенных температурах.

"Солнечные элементы" — гибкие сворачиваемые в рулон полотнища толщиной 6 мм, состоят из двух профилированных слоев специальной пластмассы черного цвета. Между слоями образуются плоские каналы, по которым протекает вода. Такими полотнищами покрывают крыши зданий или газоны вблизи них.

Для улавливания  и аккумулирования солнечной  энергии получили распространение "солнечные водоемы", представляющие собой мелкие бассейны с темным дном. В них часть солнечного излучения поглощается водой, а часть, прошедшая сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от него, частично поглощается водой при обратном пути. В таких водоемах пода сильнее всего нагревается в нижнем слое, откуда она поднимается на поверхность, вызывая конвективные токи. Тепловые потери возрастают, так как самым теплым оказывается верхний слой воды. При использовании солевого раствора более нагретый слой жидкости находится около дна, так как в нем содержится больше соли. При глубине водоема 1 м и площади 25x25 м температура его дна достигает 93°С.

Плоский коллектор наиболее применим при  использовании солнечной энергии  для отопления, горячего водоснабжения  и охлаждения зданий. Однако при  необходимости получения более  высоких температур оптимальны высокотемпературные солнечные коллекторы. При этом в качестве концентраторов энергии солнечного излучения применяют зеркала различной формы и линзы, однако последние из-за высокой стоимости не нашли широкого применения. Модифицированный солнечный коллектор с отражающей пирамидальной оптической системой позволяет достичь концентрации, в 2—4 раза превышающей обычную плотность солнечной радиации. Удорожание стоимости такого коллектора компенсируется более высокой температурой теплоносителя без уменьшения КПД коллектора.

Концентрирующий коллектор другого типа состоит из параболических желобов, концентрирующих солнечный свет на сравнительно небольшой части поверхности теплоприемника. Одна из наиболее распространенных конструкций фокусирующей солнечной панели состоит из отдельных стеклянных трубок длиной около 1 м и диаметром 7 см. В нее вложены две трубки, в которых циркулирует жидкость. Солнечная энергия отражается внутренней зеркальной стороной большой трубы и концентрируется в двух черных трубах. При увеличении плотности солнечной радиации не только повышается КПД, но и уменьшается площадь поверхности теплоприемника, что особенно важно в случае, когда он выполнен из дорогостоящих фотоэлементов, предназначенных для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Применение  в качестве концентратора энергии  солнечного излучения параболоида  позволяет получить температуру 250—650°С при КПД 60—75%. Параболоцилиндр создает среднюю степень концентрации солнечного излучения с диапазоном рабочих температур 150—400°С и КПД 50—70%. Простейший концентратор в виде плоской пластины позволяет получить температуру 60—140°С при КПД 30— 50%. Преимущества концентрирующих устройств не только в возможности получения более высокой температуры, но и в сборе теплоты с меньшими тепло потерями.