Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

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 N_г=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 С_х=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=1,16M_r(t_r - t_x)/η∑q_i

где M_r - расход горячей воды в системе горячего водоснабжения или отопления, кг/сутки;q_i - интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м²; ∑q_i - то же в сутки.

η - КПД установки солнечного горячего водоснабжения.

Интенсивность падающей солнечной радиации для каждого светового дня

q_i=p_s∙I_s+p_d ∙I_d

где p_s и p_d - коэффициент расположения солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной радиации.

p_d=cos²(b/2)

ветроэнергетический солнечный коллектор биогазовый

где b - угол наклона коллектора к горизонту;

I_s - интенсивность падающей солнечной радиации, которая приходится на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

I_d - интенсивность рассеянной радиации, которая падает на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

Значение q_i 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 q_i будет отклоняться на 1 час раньше или позже (с 7-ми утра по 15⁰⁰ или с 9⁰⁰ по 17⁰⁰).

I_s5=208+302+371+418+429+418+382+338=2866 Вт/м²

p_d5=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;

t_H - средняя дневная температура наружного воздуха, ⁰С.

Принимаем площадь поглощающей поверхности 1-го коллектора А_к=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;

К_ТА - коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, для трубчатых теплообменников можно принять К_ТА =1500-1700 Вт/(м²*К);

Δt_ТА. - разность температур; в данном случае:

Δt_ТА.=( t_max+t_min)/2

t_max и t_min - соответственно максимальный и минимальный перепады температур на входе и выходе (на концах) теплообменника.

Ф = 3766,2*36=135583,2 Вт

Δt_ТА.=( 95+10)/2=52,5 ˚С

Примем латунные трубы d_Н/d_В=14/12. мм, тогда минимальная длинна трубы:

Количество теплоты, выработанной гелиоустановкой за сезон Q_сез, ГДж:

Q_сез=η_сез*q_пад*А

где q_пад - годовые суммы падающей солнечной радиации.

Интенсивности прямой солнечной радиации для сезона работы по месяцам:

I_{s 4} = 127+208+279+302+313+313+279+232 = 2053 Вт/м²_{s 6} = 244+324+429+451+451+429+418+371 = 3117 Вт/м²_{s 7} = 232+329+360+407+418+396+371+313 = 2826 Вт/м²_{s 8} = 152+244+313+360+371+360+324+279 = 2403 Вт/м²_{s 9} = 80+138+197+232+244+232+221+185 = 1529 Вт/м²

Интенсивности рассеянной солнечной радиации для сезона работы по месяцам:

I_{d 4} = 105+138+185+208+221+232+208+185 = 1485 Вт/м²

I_{d 6} = 127+163+185+197+208+221+208+185 = 1494 Вт/м²

I_{d 7} = 127+163+197+206+221+232+221+208 = 1575 Вт/м²

I_{d 8} = 116+138+174+197+208+208+197+174 = 1412 Вт/м²

I_{d 9} = 69+116+138+163+174+174+163+138 = 1135 Вт/м²

q_пад = 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 η_сез в зависимости от характеристик солнечных коллекторов А_с, м²/(ГДж∙ сутки) и V_c, м³/(ГДж∙ сутки), которые соответствуют единице суточной тепловой нагрузки систем горячего водоснабжения или отопления.

η_сез = 0,38

Количество условного топлива сэкономленного, благодаря использованию солнечной радиации, условного топлива, т/сез:

η_зам - КПД замененного источника теплоты;

(если это электричество, то η_зам=η_э=0,3)

 т

Расчет биогазовой установки

Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:

где N_i количество животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;

m_j - 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

m_сут = 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 К_п=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 К_п суточный выход навозной массы определяется по формуле:

где К_п - принимаем равным 1,5.

 кг/сут

Масса сухого вещества в навозе m_с.в.:

;

где W% - влажность навоза (для свежего навоза W_св=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 W_св=85%, тогда

 кг/сут

Масса сухого органического вещества m_сов:

где Р_с.о.в - содержание сухого органического вещества; в навозе составляет 77-85%, если принять Р_с.о.в=80%, тогда

 кг/сут

Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания, V_в.б.н.

V_пол.б.- выход биогаза при полном сбраживании. n₁ - степень сбраживания субстрата, n₁=60-70%.

Выход биогаза при полном сбраживании -

V_пол.б.=m_c.o.в•n_ск=634,5•0,315=200 м³.

n_с.к - средний выход биогаза с 1 кг органического вещества n_с.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:

Q_т.р.=Q_п+Q_о.с.+Q_мех.

где Q_п- потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;

Q_о.с. - потери теплоты в окружающую среду;

Q_мех - 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:

Q_п= •С_с•(t_б-t_з.м) 86400

m_сут - суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90-92%;

С_с - теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды - 4,18•10^-3 МДж/(кг•К));

, при = =

˚С

Q_п=6000∙4,8∙10^-3 ∙(50-20)=752,4 МДж/(кг∙К∙сут)

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:

Q_о.с=к•F•(t_б-t_о.с)∙86400.

где к - коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м²•К).

F - площадь наружной поверхности реактора, м².

t_о.с - температура окружающей среды, °С.( t_о.с=7,1°С)

t_Б - температура биомассы, °С.( t_б=50°С)

Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3 по значению V_р 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)

;

α_в и α_н 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+56t_б-0,09t_б².

t_б - температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева). Δt=t_б-t_ст1.

Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки t_ст1 принимаем t_ст1=49,5 °С (при обогреве биомассы водяной рубашкой), Δt=t_ст1-t_б=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 - δ_ст - толщина стенки реактора. Для стальных реакторов δ_ст=5мм,

λ_ст - коэффициент теплопроводности материала, для стали λ_ст=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 t_ст1, δ_ст, λ_ст, (δ/λ)_загр и q находим t_ст2.

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 t_ст3. т.е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:

.

Однако здесь необходимо знать искомую α₂. Для приближенных расчетов при t_ст1<50°C можно принять

.

Δt_изол. - перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Δt_изол.=(0,9…0,95) t_ст2.

При Δt_изол.=0,95t_ст2=0,95•42,7=38,43°С.

= 42,7-38,43=4,27 °С.

ά_Н=9.3+0.465+7√V

примем V=4м/с - скорость ветра

ά_Н=9.3+0.465∙4,27+7√4=25,3 Вт/(м²•К).

Q_о.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:

Q_мех=g_норм•V_р.п.з•t_z

где g_норм - удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона лопастей g_норм=(50…80) Вт/м³•час.

V_р.п.з - объём реактора заполненный субстратом, м³. V_р.п.з=90 м³;

t_z - продолжительность работы мешалки.

За сутки t_z=t_z'•n', где t_z' - продолжительность перемешивания за один раз, t_z'=3-5 минут; n' - число перемешиваний, n'=6-12 раз.

Принимаем t_z'=5 мин, n'=12 получим t_z=5•12 = 60 минут =1 час.

Q_мех=80∙90∙1=7200 Дж/сут=7.2 кДж/сут

Q_т.р.=752,4+81,83+0,0072=834,23 МДж/сут

Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:

а) При полном брожении:

Q_б.г=V_пол.б•Нu_б.г

где V_пол.б=200 м³/сутки; Нu_б.г- низшая теплота сгорания биогаза Нu_б.г=22-28МДж/м³.

Q_б.г=200∙25=5000 МДж/сут

б) При неполном брожении субстрата:

Q_в.б.н. = 140∙25=3500 МДж/сут

Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.

E_Б.Г.У=Q_б.г - Q_т.м =Q_б.г - (Q_п + Q_о.с + Q_мех).

E_Б.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 Д_р.г.-дни работы БГУ в году, Д_р.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.