- •Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра теплоэнергетики Солнечные устройства и установки для систем теплоснабжения
- •Введение
- •1. Перспективы развития солнечной энергетики
- •2.Теоретические основы процессов распространения солнечной радиации
- •2.1. Интенсивность солнечного излучения на поверхности земли
- •2.2. Собирание солнечной энергии
- •3. Устройства для поглощения солнечной радиации
- •3. 1. Плоские солнечные коллекторы.
- •3.4. Параболические концентраторы
- •4. Установки по преобразованию солнечной энергии
- •4.1. Паросиловые установки
- •4.2. Солнечные бассейны, или пруды
- •5. Конструирование установок солнечного горячего водоснабжения
- •6. Определение экономической целесообразности применения установки солнечного горячего водоснабжения
- •6.1. Расчет годового (сезонного) кпд я суммарного количества теплоты, выработанной установкой солнечного горячего водоснабжения
- •6.2. Расчет интенсивности солнечной радиации
- •Приложение 1
- •Приложение 2 Расчет установок солнечного горячего водоснабжения
- •Расчет интенсивности солнечной радиации
- •Пример расчета
- •Приложение 3 Задание для задачи по расчету тепловой части солнечного коллектора
- •Список литературы
4. Установки по преобразованию солнечной энергии
4.1. Паросиловые установки
Одним из способов преобразования солнечной энергии в электрическую является создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел заменяется солнечный паровым котлом. На рис.6 представлена принципиальная схема паросиловой установки, работающей на солнечной энергия, собираемой и фокусируемой гелио концентраторами. Задачей гелиоконцентраторов является фокусировка солнечной энергии, то есть повышение ее плотности , а следовательно, повышение температуры нагреваемого объекта (солнечного котла). Даже теоретически температура нагреваемых поверхностей не может быть выше температуры поверхности Солнца (около 6000°К). Если бы это было не так, то получилось бы противоречие со вторым законом термодинамики, согласно которому невозможно нагреть тело до температуры выше, чем температура источника тепла.
Зеркала гелиоконцентратора должны быть подвижными в зависимости от географического расположения солнечного котла, времени года и времени суток и должны занимать соответствующую позицию. Лучше всего это сделать с помощью ЭВМ.
Однако стоимость установленного киловатта мощности солнечной энергии станции рассматриваемого типа очень велика. В Крыму построена такая электростанция мощностью 5 тыс. кВт (5 МВт).
В нашей стране разрабатывается солнечная электрическая станция (СЭС) мощностью 200 МВт. Конструкция станции основывается на башенном принципе расположения теплоприемных поверхностей котла. В центре поля зеркал-концентраторов находится башня высотой 250 м, на которой монтируется котел-парогенератор. Система слежения и ориентации предусматривает постоянную концентрацию солнечных лучей от отражающих зеркал на поверхности парогенератора. Следует заметить, что из-за низкой плотности солнечного излучения для солнечных электростанций требуются значительные земельные площади под систему зеркал - концентраторов. Так, например, для мощности -200 мВт необходимы площади от 9 до 13 квадратных километров.
Опытно - экспериментальная установка в Италии имеет паро-производительность 150 кг/ч при давлении 150 бар и температуре 500С°
Рис.6 Схема солнечной паросиловой установки
1-гелиоконцентраты, 2-паровой котел, 3-парапровод, 4-турбина, 5-электрогенератор, 6-конденсатор, 7-градирня, 8-питательный бак, 9-питательный насос.
4.2. Солнечные бассейны, или пруды
Сотрудниками Национальной физической лаборатории Израиля разработана и исследована разновидность плоского коллектора -солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит водный бассейн, который можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. В таком виде солнечный бассейн, казалось бы, не имеет никаких преимуществ перед обычным поглотителем на основе твердого тела. Однако было обнаружено, что в некоторых природные водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. По предположению, это явление обуславливается высоким содержанием соли в таких водоемах.
Повышенное содержание в воде некоторых определенных солей препятствует уменьшению плотности растворителя, обусловленному расширением последнего. Таким образом достигается устойчивое состояние, при котором более нагретые слои жидкости уплотняются и остаются на дне бассейна. Следовательно, температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100°С.
Процессы, протекающие в солнечном бассейне достаточно сложны с точки зрения тепломассообмена. Поглощение солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает промежуточное положение между нейтральным и селективным поглотителем.
Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов . Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии, обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии благодаря высокой теплоемкости. В бассейнах малого размера теплообмен между водой и окружающей атмосферой, а также близлежащими слоями почвы протекает интенсивнее, чем в больших бассейнах, поэтому наиболее эффективны бассейны площадью 50 м. В бассейнах этих размеров волнение воды под действием ветра вызывает нарушение устойчивости в распределении температуры и концентрации соли, поэтому в них приходится устанавливать специальные защитные приспособления. Однако, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.
Основное условие работы прудов - наличие градиента концентрации соли по толще воды. Обычно глубина водоемов не должна превышать нескольких метров. В искусственных водоемах концентрация соли в различных слоях воды регулируется путем введения солевых растворов различной концентрации на различные глубины так, чтобы нижние слои воды обладали максимальным ее содержанием (рис. 7).
Рис.7 Солнечный пруд:
1-вода, 2-вход воды, из слоев с пониженной концентрацией соли,3 – выход воды из слоев с пониженной концентрацией соли , 5- выход горячей воды,6-солнечные лучи.
Если данный водоем находится под воздействием солнечного излучения, его вода прогревается по всей толще, но в разной степени. Верхние слои прогреваются до меньшей температуры, поскольку они находятся в прямом контакте с воздухом, а так как в верхних слоях воды наблюдается повышенная конвекция, это приводит к дополнительной теплоотдаче. Солнечные лучи проникают на дно и нагревают воду нижних слоев. Любые конвективные потери сокращаются благодаря наличию градиента плотности. Поэтому - нижние слои, прогреваются значительно сильнее, чем верхние.
Этот эффект позволяет получить в нижних слоях воду с температурой, близкой к 100°С, тогда как в верхних слоях температура будет близкой к температуре окружающего воздуха. Подсчитано, что водоем площадью I км2 может дать около 6О м3 с температурой до 96°С. Наряду с искусственными солнечными прудами существуют и естественные соляные озера или водоемы с подсоленной водой, в которых наблюдается такой же эффект. Например, в озере Балатон в Венгрии. Солнечные пруды относятся к классу активных солнечных систем.
Существуют проекты больших энергетических установок по производству электроэнергии на базе "Солнечных прудов". В такой установке (рис. 8) горячая вода поступает из слоя Ш в теплообменник - испаритель при помощи насоса D3 и возвращается снова в свой слой. В парогенераторе Г образуется низкотемпературный пар из низкокипящей органической жидкости, который поступает в турбину В, вращающей электрогенератор Б. После турбины пар направляется в конденсатор А ,| куда также идет холодная вода из слоя I.
Рис.8 Электростанция на базе солнечного пруда:
1,2,3 –слои с низкой, средней и высокой концентрацией соли
С-солнце; А- конденсатор, Б- электрогенератор, В – турбина, Г- теплообменник-испаритель(парогенератор,
Д1, Д2, Д3 - насосы
Рис.9 Схема полупроводника с запирающим слоем насоса D2
Вся схема работает в замкнутом цикле, позволяя многократно использовать низкокипящую жидкость. Эффективность данной системы во многом зависит от перепада температур между слоями I и Ш. Несмотря на то, что данная схема не отличается от обычных теплоэлектрических, однако необходима разработка конструкции турбин, работающих при низких параметрах (давлениях и температурах). Поскольку в парогенератор поступает вода п.повышенной засоленностью, необходимы специальные высококоррозийные материалы. Существуют в настоящее время экспериментальные электростанции мощностью до ЗСО кВт, работающие по данному принципу.