10228

91

дешевле производства энергии с помощью современных источников.

К сожалению схемы грозовых ферм нигде не представлены, поэтому об их устройстве мало что известно. Однако нельзя не упомянуть смелый и футуристический проект сербских инженеров – небоскреб Гидра (Hydra Skyscraper), который разрабатывался с целью переработки энергии молний в водород.

Рис. 93. Футуристический проект небоскреба Гидра.

Небоскреб своей формой повторяет пресноводного полипа гидру – маленькое полупрозрачное многоклеточное животное, в честь которого он и получил свое название. По проекту при ударе молний в шпили из сверхпроводникового графена заряд улавливается и передается в огромные аккумуляторы в основании башни. Накопленная электрическая энергия будет использоваться для разделения молекул воды на молекулы кислорода и водорода. В конструкции башни предусмотрены лаборатории, жилые помещения и комнаты отдыха для персонала.

Но в настоящее время есть ряд фундаментальных факторов, которые препятствуют полноценному применению грозовой энергетики:

для успешного использования энергии молнии в тех местах, где даже установлен максимум по их ударам, необходимо устанавливать большое количество «ловушек»;

поскольку молния – это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, для его быстрого освоения необходимо использовать

92

мощнейшие конденсаторы, разработка и использование которых будет иметь очень высокую стоимость;

сильное различие в мощности разрядов от 5-20 кА до 200 кА, необходимо приводить к стандарту в 220 В и 50-60 Гц переменного тока;

молния бывает отрицательной, образующейся из энергии, скопившейся в нижней части облака, и положительной, накапливающейся в верхней его части. Данный фактор также нужно принимать во внимание при оборудовании молниевой фермы.

Из всех приведенных в этом пособии возобновляемых источников энергии

определенно молнии, с позиции получения из них энергии, наименее изучены. С другой стороны прогресс не стоит на месте и вполне возможно, что развитие технологий позволит грозовой энергетике занять свою нишу в области использования энергии возобновляемых источников.

93

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям

3.1 Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям

В ходе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.

При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.

Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.

3.2 Работа на практических занятиях

Основной работой на практических занятиях является разбор схем работы различных возобновляемых источников энергии, а также некоторых расчетов.

Определение площади солнечных коллекторов

Основная задача определение площади солнечного коллектора сводится к определению количества тепла необходимого для системы. Когда будет получена цифра, определяющая необходимое тепло, можно приступать к расчету количества трубок вакуумного солнечного коллектора. Данную задачу сначала решим на базе тепла, которое необходимо для системы горячего водоснабжения.

Подсчет количества тепла необходимого для обеспечения семьи из 3-х человек горячей водой.

1. Определение, на сколько градусов должна повыситься температура воды и ее объем. Семья - 3 человека (2 взрослых и 1 ребенок). По эмпирическим данным на среднего человека расходуется в день 50 литров воды. Суммарный объем емкостного нагревателя надо рассчитывать из расчета 1,5…2 суточной потребности.

Соответственно V = (50∙3)∙1,5=225 л.

Средняя температура входящей воды tср= 15°С. Она должна быть нагрета до tнорм=

50°С, т.е. t = tнорм - tср =50-15=35°С.

2. Определим количество энергии Qi, необходимой для нагревания этого количества воды. Учитываем, что для нагрева одного литра воды на один градус надо затратить энергию равную 1 ккал.

Qi = V t , ккал.

Для перевода данной энергии в кВт ч воспользуемся следующей формулой (1 кВт·ч = 859,8 ккал)

Qi,квт ч = Qi /859,8, кВт·ч

225 л ∙ 35°C = 7875 ккал.

7875 / 859,8 = 9,16 кВт∙ч

3. Определяем количество энергии, которая может поглощаться и преобразовываться в тепло солнечными коллекторами RUCELF®. Рассмотрим вариант

94

расположения солнечной установке в городе Липецке. В июле солнечная энергия на 1 м2 составляет 5,11 кВт∙ч∙м2/день, а в феврале 1,9 кВт∙ч∙м2/день.

Солнечный коллектор RUCELF® способен поглощать до 80% энергии солнца. Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF® равно

5,11∙0,8 = 4,09 кВт∙ч/день площади поглощения коллектора для июля.

Значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF® равно 1,9∙0,8 = 1,52 кВт∙ч/день площади поглощения коллектора для февраля.

Площадь поглощения вакуумной трубки диаметром 58 и длиной 1800 мм составляет 0,08 м2. Соответственно несложно подсчитать, что одна трубка способна получать и передавать солнечное тепло в размере 0,08∙4,09=0,327 кВт∙ч и 0,08∙1,52=0,122 кВт∙ч соответственно в июле и феврале.

4. Определяем необходимое число трубок (Nтр).

Используя значение, вычисленное выше, определяем количество трубок, которое надо установить. Энергия Qтр, которую необходимо затратить на нагрев нужного количества воды составляет Qi,квт ч = 9,16 кВт∙ч.

Энергия, которую может передать одна вакуумная трубка, в зависимости от месяца, составляет 0,327 кВт∙ч и 0,122 кВт∙ч.

Nтр= Qi,квт ч /Qтр

Июль – 9,16 / 0,327 = 28 трубок. Февраль – 9,16 / 0,122= 76 трубок.

Применение солнечных коллекторов направлено, прежде всего, на экономию денег клиента, а во вторую - на экономию природных ресурсов. Поэтому необходимо использовать то количество солнечных коллекторов, которое экономически целесообразно. В данном случае, ставилась задача обеспечить горячей водой семью из 3 человек. Правильным решением будет считаться подбор количества трубок коллектора в зависимости от месяца, в котором максимальная солнечная эффективность. То есть для семьи из 3-х человек в городе Липецк необходим бак-накопитель на 225 литров и солнечный коллектор на 28 трубок.

В данном случае мы решали простейшую задачу с использованием солнечной энергии для приготовления горячей воды для семьи из 3 человек. Немного более сложной является задача использования солнечной энергии для обогрева бассейнов.

Использование солнечной энергии для обогрева бассейнов

Теплопотребление бассейна зависит от его типа (крытый или открытый), способа укрытия и положения. На теплопотребление открытых плавательных­ бассейнов влияют колебания температуры атмосферного воздуха, изменения облачности, теплоизоляция плавательного бассейна и требуемая температура воды бассейна. Для крытых бассейнов теплопотребление­ определяется вентиляцией, влажностью и температурой воздуха и требуемой температурой воды бассейна.

1-й способ расчета.

Пример расчета для коллекторов – 20 труб.

Площадь поверхности бассейна: 26 м2. Средняя глубина бассейна: 1,5 м Объем воды в бассейне: 39 м3.

Потеря температуры за 2 дня: 2K.

Суточное энергопотребление: 39 м3∙1K ∙1,16 (кВт∙ч/К∙м3) = 45,2 кВт∙ч Площадь коллектора: 45,2 кВт∙ч / 5,2 кВт∙ч/м2 = 8,7 м2. Это соответствует 6 коллекторам по 20 труб.

Для первого приближенного расчета (оценки затрат) можно исходить из средней потери температуры 1К/сут. При средней глубине бассейна 1,5 м это означает, что для поддержания базовой температуры энергопотребление составляет примерно 1,74 кВт∙ч/

95

(сут∙м2 площади бассейна). Поэтому целесообразно на м2 площади поверхности бассейна использовать примерно 0,4 м2 площади поглотителя.

2-й способ расчета.

Для поддержания температуры воды закрытого бассейна (но не для ее нагрева), в зависимости от типа требуется энергия эквивалентная 0,1…0,3 кВт∙ч/м2. Возьмем вариант, при котором на поддержание температуры расходуется 0,1 кВт∙ч/м2. Имеется бассейн, «зеркало» которого составляет 40 м2.

Ежечасно для поддержания заданной температуры бассейна затрачивается 0,1∙40=4 кВт∙ч энергии. То есть в сутки на поддержание температуры тратится 4 кВт∙ч ∙24 ч=96 кВт∙ч энергии.

Если мы хотим использовать энергию солнечных коллекторов только в светлое время суток, то мы должны набрать массив коллекторов, который обеспечит нас теплом солнечной радиации в течение светового дня. То есть 64 кВт∙ч. Из предыдущего расчета берем теплотворную способность одной трубки 0,327 кВт∙ч/трубка/день. Просчитываем необходимое количество трубок.

Количество трубок =48/0,327 = 147 трубок.

Если мы хотим решить проблему поддержания температуры бассейна и ночью с помощью тепла, выработанного солнечными коллекторами, то мы должны полную мощность, потребляемую на обогрев, поделить на теплотворную способность одной трубки.

Количество трубок =96/0,327 = 294 трубки.

Вслучае если бассейн отапливают электрическим нагревателем, то при современных тарифах (3,28 руб = 1 кВт∙ч), он на обогрев бассейна затратит сумму равную

365∙3,28∙96 = 114931,2 руб.

Вслучае если бассейн отапливают газовым проточным нагревателем, то при современных тарифах (при превышении лимита кубов в год действует тариф 6 руб = 1 м3, если ориентировочно 10 кВт тепла = 1 м3 газа, в сутки на подогрев бассейна расходуется 96 кВт∙ч энергии, т.е. около 9,6 м3 газа) он на обогрев бассейна затратит сумму равную

365∙6∙9,6=21024 руб.

Расчет солнечного коллектора для коттеджа

ГВС 225 л в сутки, поддержка отопления (из расчета 10 кВт теплопотерь для дома площадью до 125 м2), подогрев воды в открытом бассейне 20 м3.

Определяем количество энергии необходимой для нагревания 200 литров воды с 15°С до 55°С. Учитываем, что для нагрева одного литра воды на один градус необходимо затратить энергию равную 1 ккал.

225 л∙ 40°C = 9000 ккал.

Для перевода данной энергии в кВт∙ч воспользуемся следующей формулой 7875 /

859,8 = 9,16 кВт∙ч (1 кВт∙ч = 859,8 ккал).

В июле солнечная энергия на 1 м2 составляет 5,11 кВт∙ч∙м2/ день, а в феврале 1,9 кВт∙ч∙м2/день (для г. Липецк).

Солнечный коллектор RUCELF® способен поглощать до 80% энергии солнца. 5,11∙0,8 значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF®

= 4,09 кВт∙ч /день площади поглощения коллектора для июля. 1,9∙0,8 значение передачи поглощенной энергии вакуумными трубками RUCELF® = 1,52 кВт∙ч /день площади поглощения коллектора для февраля.

Площадь поглощения вакуумной трубки диаметром 58 и длиной 1800 мм составляет 0,08 м2. Соответственно несложно подсчитать, что одна трубка способна получать и передавать солнечное тепло в размере 0,327 Квт∙ч и 0,122 Квт∙ч соответственно в июле и феврале.

96

Итак, необходимое количество трубок:

Июль – 9,16 / 0,327 = 38 трубок. Февраль – 9,16 / 0,122 = 75 трубок.

Для поддержки отопления в январе значение солнечной радиации составит 0,97 кВт∙час/м2/день.

0,97∙0,8∙0,08= 0,06 кВт∙час/м2/день – поглощает одна трубка, соответственно 7,2 кВт∙час/м2/день поглощает 120 трубок.

Оценка капитальных затрат на установку и эксплуатацию солнечного коллектора

За базовую единицу при расчете стоимости оборудования примем стоимость одной трубки Стр, стоимость всех трубок равна:

См = Стр n, где n – количество трубок.

Стр=4896,5 руб. , n=30 См =4896,5∙30=146895 руб.

Стоимость остального оборудования (контроллер, гидроаккумулятор, разводка) усредненно приравнивается к Соб = 1,5 См,

Стоимость строительно-монтажных работ в зависимости от расположения солнечных коллекторов в среднем составляет 20% от стоимости оборудования.

Стоимость оборудования:

Соб. = См +1,5 См + (0,2) См, руб.

Соб. =146895+1,5∙ 146895+(0,2)∙ 146895=396616,5 руб.

Стоимость пуско-наладочных работ – 5% от стоимости оборудования (капиталовложения в мероприятие):

Ктг = 0,05 Соб, руб.

Ктг =0,05∙396616,5=198308,25 руб.

Стоимость установки нагрева воды с использованием солнечных коллекторов:

Суст. = Соб. + Ктг, руб.

Суст. =396616,5+198308,25=594924,75 руб.

Годовые затраты на техническое обслуживание установки:

Зтех.об. = 0,2 (Суст. НА)/ Тэкспл., руб.

Зтех.об. = 0,2 (594924,75∙0,2)/20=1189,85 руб.

где НА - годовая норма амортизационных отчислений, принимается равной 20%. 0,2 – коэффициент, учитывающий зарплату рабочих.

Тэкспл. - срок эксплуатации солнечной станции (указывается в техническом паспорте), составляет в среднем 20 лет.

97

4. Методические указания по организации самостоятельной работы

4.1 Общие рекомендации для самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов является основным способом овладения учебным материалом в свободное от обязательных учебных занятий время.

Целями самостоятельной работы студентов являются:

-систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;

-углубление и расширение теоретических знаний;

-формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу;

-развитие познавательных способностей и активности студентов:

-формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.

Самостоятельная работа выполняется в два этапа: планирование и реализация. Планирование самостоятельной работы включает:

-уяснение задания на самостоятельную работу;

-подбор рекомендованной литературы;

-составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.

Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.

На втором этапе реализуется составленный план. Реализация включает в себя:

-изучение рекомендованной литературы;

-составление плана (конспекта) по изучаемому материалу (вопросу);

-взаимное обсуждение материала.

Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал. Оставшаяся восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна.

Работа с литературой и иными источниками информации включает в себя две группы приемов: техническую, имеющую библиографическую направленность, и содержательную. Первая группа – уяснение потребностей в литературе; получение литературы; просмотр литературы на уровне общей, первичной оценки; анализ надежности публикаций как источника информации, их относимости и степени полезности. Вторая – подробное изучение и извлечение необходимой информации.

Для поиска необходимой литературы можно использовать следующие способы:

-поиск через систематический каталог в библиотеке;

-просмотр специальных периодических изданий;

-использование материалов, размещенных в сети Интернет.

Для того, чтобы не возникало трудностей понимания текстов учебника, монографий, научных статей, следует учитывать, что учебник и учебное пособие предназначены для студентов и магистрантов, а монографии и статьи ориентированы на исследователя. Монографии дают обширное описание проблемы, содержат в себе справочную информацию и отражают полемику по тем или иным дискуссионным вопросам. Статья в журнале кратко излагает позицию автора или его конкретные достижении в исследовании какой-либо научной проблемы.

В процессе взаимного обсуждения материала закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.

При необходимости студенту следует обращаться за консультацией к преподавателю.

98

Составление записей или конспектов позволяет составить сжатое представление по изучаемым вопросам. Записи имеют первостепенное значение для самостоятельной работы студентов. Они помогают понять построение изучаемого материала, выделить основные положения, проследить их логику.

Ведение записей способствует превращению чтения в активный процесс. У студента, систематически ведущего записи, создается свой индивидуальный фонд подсобных материалов для быстрого повторения прочитанного. Особенно важны и полезны записи тогда, когда в них находят отражение мысли, возникшие при самостоятельной работе.

Можно рекомендовать следующие основные формы записи: план, конспект, тезисы. План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень

вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект.

Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Объем конспекта не должен превышать 10 страниц. Шрифт Times New Roman, кегль 14, интервал 1,5. Список литературы должен состоять из 5-8 источников, по возможности следует использовать последние издания учебных пособий и исследований.

Тезисы — это последовательность ключевых положений из некоторой темы без доказательств или с неполными доказательствами. По объему тезисы занимают одну страницу формата А4 или одну – две страницы в ученической тетради. В конце тезисов студент должен сделать собственные выводы.

4.2 Темы для самостоятельного изучения

Энергия океана (изучение схем).

Термоядерный синтез (альтернативные реакторы - стеллараторы). Сравнительный анализ ГЭС, АЭС и альтернативных источников энергии.

Углубленное изучение одного из описанных возобновляемых источников энергии.

4.3 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

Приводится в конце пособия – список рекомендуемой литературы.

99

Литература

1.Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] : [сайт]. – Режим доступа : http://www.vikertherm.ru/.

2.Аронов, И. З. Контактные газовые экономайзеры / И. З. Аронов. – Киев : Техника, 1964. – 176 с.

3.Баскаков, А. П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : учеб. пособие : в 2 ч. / А. П. Баскаков. – Екатеринбург : УГТУ-УПИ , 2008. – 95 с. : ил.

4.Вальехо, М. Энергосберегающие технологии и альтернативная энергия : учеб. пособие / М. Вальехо. – Москва : РУДН, 2008. – 204 с.

5.Велихов, Е. П. Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе [Электронный ресурс] : докл. от 22.10.1999, выполн. в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists / Е. П. Велихов, С. В. Путвинский. – Режим доступа : http://thermonuclear.ru/rev.html.

6.Ветрогенератор Buoyant Airborne Turbine (BAT) [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://www.dailytechinfo.org/energy/5756-pervyy-v-mire-letayuschiy- vetrogenerator-podnyalsya-v-nebo-nad-alyaskoy.html

7.Вершинский, Н. В. Энергия океана / Н. В. Вершинский. – Москва : Наука, 1986. – 152 с. : ил. – (Наука и технический прогресс).

8.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2012. – 48 с. : ил.

9.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: вторичные энергетические ресурсы / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2012. – 38 с. : ил.

10.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (биогаз из различных видов биомассы) / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 37 с. : ил.

11.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: энергия воды океанов, морей и рек / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 43 с. : ил.

12.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: энергия ветра / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 50 с. : ил.

13.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: использование с применением тепловых насосов / Г. М. Климов, Е. Н. Цой, М. Г. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 50 с. : ил.

14.Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (свалочный биогаз, экологические проблемы использования) / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 52 с.

15.Княжев В.В. Ресурсы и способы преобразования градиента солености / В.В. Княжев // Вестник дальневосточного отделения РАН. – Владивосток: 2010. – №3. – С. 131-138

16.Марков, В. А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В. А. Марков. – Москва : Легион-Автодата, 2008. – 464 с.

17.Накоряков, В. Е. Энергетическая эффективность комбинированных отопительных установок на базе тепловых насосов с электроприводом / В. Е. Накоряков, С. Л. Елистратов // Промышленная энергетика. – 2008. – № 3. – С. 2833.