Солнечный коллектор

Солнечный коллектор

Введение

солнечный энергия возобновляемый топливо

На современном этапе развития цивилизации экономический рост в любой стране самым тесным образом связан с функционированием топливно-энергетического комплекса. При этом наиболее конкурентоспособными являются те страны, где энергетические ресурсы используются в максимальном объеме и с высокой степенью эффективности. Экономика России базируется на невозобновляемых углеводородных топливно-энергетических ресурсах, причем, в большей степени, чем в большинстве промышленно развитых стран мира

Разведанные запасы традиционных углеводородных ресурсов в России пока позволяют обеспечивать текущие потребности национальной экономики и получать существенные доходы от экспорта энергоносителей. В то же время с каждым годом наблюдается ухудшение горно-геологических условий добычи горючих полезных ископаемых. С начала 90-х годов прошлого века восполнение запасов углеводородных ресурсов отстает от темпов роста их добычи.

В перспективе будут постоянно возрастать требования к защите окружающей среды при сжигании традиционных углеводородных ресурсов. Снижение энергоемкости российской экономики в отличие от ведущих промышленно развитых стран не являлось следствием комплексного проведения энергосберегающих мероприятий. В данном случае сыграли свою роль факторы, связанные со спадом производства, глобальным потеплением климата, повышением доли природного газа в энергетическом балансе и изменением структуры производства ВВП в сторону увеличения доли производства услуг. Производство услуг обычно менее энергоемко по сравнению с производством товаров.

Если разрыв в уровне энергоемкости ВВП будет сохраняться, то это несомненно окажет негативное воздействие на конкурентоспособность российских товаров на мировом рынке.

Уже в ближайшей перспективе все большую часть прироста национальных потребностей России в топливе и энергии необходимо будет обеспечивать за счет мероприятий по энергосбережению. В основных положениях Энергетической стратегии России до 2020 года энергосбережение предполагается в основном осуществлять за счет организационных и технологических мероприятий, направленных на более эффективное использование традиционных видов топливно-энергетических ресурсов.

Следует, однако, подчеркнуть, что энергосбережение - это не только внедрение технологий, позволяющих увеличить эффективность использования традиционных энергоносителей, но также и диверсификация энергобаланса за счет использования альтернативных источников энергии. К сожалению, последнему аспекту в стратегии энергосбережения уделяется недостаточно внимания.

В стратегическом плане среди альтернативных источников энергии наиболее важную роль будут играть возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Среди них особый интерес представляют нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ): энергия солнца, ветра, тепла земли, малых рек, океана, биомассы и торфа.

Объектом исследования данной работы являются возобновляемые источники энергии. Предмет исследования - возможности использования возобновляемых источников энергии. Расчёт коэффициента замещения f солнечной системой на базе СК «АРГО» органического топлива в жилом доме на 5 человек.

Цель работы заключается в анализе расчета коэффициента замещения солнечной системы.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

. Рассмотреть классификацию возобновляемых источников энергии

. Провести расчет коэффициента замещения солнечной системы.

1. Характеристики возобновляемых источников энергии и основные аспекты их использования в России

.1 Возобновляемые источники энергии

Это виды энергии, непрерывно возобновляемые в биосфере Земли. К ним относится энергия солнца, ветра, воды (в том числе сточных вод), исключая применения данной энергии на гидроаккумулирующих электроэнергетических станциях. Энергия приливов, волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов. Геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей. Низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с применением особых теплоносителей. Биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива. А также биогаз; газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов; газ, образующийся на угольных разработках.

Теоретически возможна и энергетика, основанная на использовании энергии волн, морских течений, теплового градиента океанов (ГЭС установленной мощностью более 25 МВт). Но пока она не получила распространения.

Способность источников энергии возобновляться не означает, что изобретен вечный двигатель. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используют энергию солнца, тепла, земных недр, вращения Земли. Если солнце погаснет, то Земля остынет, и ВИЭ не будут функционировать.

1.2 Преимущества возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными

Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит от величины поставок и уровня цен на него, конъюнктуры рынка.

Возобновляемая энергетика базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.

Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию

ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.

В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.

В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо- и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т.д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта наукоемкого оборудования.

.3 Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии

И в России, и в мире - это гидроэнергетика. Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.

Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.

Доля солнечной энергетики относительно небольшая (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но имеет положительную динамику роста.

Геотермальная энергетика имеет важное местное значение. В частности, в Исландии такие электростанции вырабатывают около 25% электроэнергии.

Приливная энергетика пока не получила значительного развития и представлена несколькими пилотными проектами.

2. Обзор возобновляемых источников энергии. Расчет коэффициента замещения органического топлива солнечной системой

2.1 Расчет коэффициента замещения органического топлива солнечной системой

Рассчитать: 1. Коэффициенты пересчёта R_пр, R_∑

2. Суммарную солнечную радиацию Э_β на наклонную поверхность по месяцам года

. Количество полезного тепла Q_пол по месяцам

. Годовой и помесячный коэффициент замещения f

Советский район: широта 52,3⁰, долгота 107,7⁰. Расчёт для поверхности 90⁰ к горизонту.

Жилой дом на 5 человек S= 72 м²

Поправочный коэффициент для условий Советского района

Отношение потока Э_т, падающего по нормали на наклонную поверхность, к соответствующему потоку радиации Э, падающему на горизонтальную поверхность, может быть выражено через углы θ_z и θ_т и поток радиации Э_n, падающей в рассматриваемом направлении, следующим образом:

К_пр=  (1)

 (2)

 (3)

Где  - зенитный угол между направлениями на Солнце и вертикалью;  - зенитный угол между направлением на Солнце и нормалью к поверхности с углом наклона ;  - склонение, т.е. угловое положение Солнца в солнечный полдень относительно плоскости экватора (+ для северного полушария);  - широта местности; - часовой угол, равный 0 в солнечный полдень: каждый час соответствует 15⁰ долготы причём значения часового угла до полудня считаются +, а после полудня -; - угол между рассматриваемой плоскостью и горизонтальной поверхностью.

Рассчитываем поправочный коэффициент для условий Орска.

Январь

К_пр= (4)

К¹⁰_пр== 6,19

К¹¹_пр== 4,08

К¹²_пр== 3,48

К¹³_пр== 3,33

К¹⁴_пр== 3,48

К¹⁵_пр== 4,08

К¹⁶_пр== 6,19

Таблица №1. Данные почасовых значений К_пр по месяцам года

Предполагая, что диффузное излучение изотропно (т.е. равномерно распределено по небосводу), К_∑ можно представить в виде:

К_∑ = (5)

где Э^г_d - среднемесячный дневной приход диффузной радиации на горизонтальную поверхность; К_пр - отношение среднемесячных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности; - отражательная способность земли изменяется от 0,2 до 0,7 в зависимости от протяжённости снежного покрова.

Январь

К¹⁰_∑ =

К¹¹_∑ =

К¹²_∑ =

К¹³_∑ =

К¹⁴_∑ =

К¹⁵_∑ =

К¹⁶_∑ =

Таблица №2. Почасовые значения поправочного коэффициента К^час_∑

Суммарная солнечная радиация Э_β на наклонную поверхность по месяцам года

Э_β= К_∑*Э^г_∑ (6)

Январь

Э^сут_β= 1,55*4,42=6,85 МДж/м² (1,9 кВт*ч)

Э^мес_β=6,85*31=212,35 МДж/м² (58,99 кВт*ч)

Февраль

Э^сут_β= 0,96*7,67=7,36 МДж/м² (2 кВт*ч)

Э^мес_β=7,36*28=206 МДж/м² (56 кВт*ч)

Март

Э^сут_β= 0,35*13,58=4,75 МДж/м² (1,32 кВт*ч)

Э^мес_β=4,75*31=147,25 МДж/м² (40,9 кВт*ч)

Апрель

Э^сут_β= 0,15*17,64=2,6 МДж/м² (0,73 кВт*ч)

Э^мес_β=2,6*30=78 МДж/м² (21,67 кВт*ч)

Май

Э^сут_β= 0,1*27,94=2,8 МДж/м² (0,77 кВт*ч)

Э^мес_β=2,8*31=86,8 МДж/м² (24,1 кВт*ч)

Июнь

Э^сут_β= 0,06*30,18=1,8 МДж/м² (0,5 кВт*ч)

Э^мес_β=1,8*30=54 МДж/м² (15 кВт*ч)

Июль

Э^сут_β= 0,05*28,34=1,4 МДж/м² (0,4 кВт*ч)

Э^мес_β=1,4*31=43,4 МДж/м² (12 кВт*ч)

Август

Э^сут_β= 0,1*17,68=1,8 МДж/м² (0,5 кВт*ч)

Э^мес_β=1,8*31=55,8 МДж/м² (15,5 кВт*ч)

Сентябрь

Э^сут_β= 0,2*11,94=2,4 МДж/м² (0,66 кВт*ч)

Э^мес_β=2,4*30=72 МДж/м² (20 кВт*ч) F_R

Октябрь

Э^сут_β= 6,6*0,51=3,4 МДж/м² (0,93 кВт*ч)

Э^мес_β=3,4*31=105 МДж/м² (29,3 кВт*ч)

Определение количества полезного тепла Q_пол по месяцам

Q_пол= (7)

Q^пол=Э_β*0,79-0,93*(Т_ср-Т_окр) (8)

где = 0,93, = 4,5 Вт/м²*С⁰, =0,85, = 55⁰С

Январь

Q_пол=/м²

Q^мес_пол=1,3*31=40,3кВт/м²

Таблица №3. Значения полезного тепла, вырабатываемого СК «АРГО»

Расчёт равновесной температуры Т_р

Январь Э_β()_n=50,14 кВт*ч

Февраль Э_β()_n=47,6 кВт*ч

Март Э_β()_n=34,75 кВт*ч

Апрель Э_β()_n=18,42 кВт*ч

Май Э_β()_n=20,49 кВт*ч

Июнь Э_β()_n=12,75 кВт*ч

Июнь Э_β()_n=10,2 кВт*ч

Август Э_β()_n=13,18 кВт*ч

Сентябрь Э_β()_n=17 кВт*ч

Октябрь Э_β()_n=24,9 кВт*ч

ΔТ

Январь ΔТ=

Февраль ΔТ=

Март ΔТ=

Апрель ΔТ=

Май ΔТ=

Июнь ΔТ=

Июль ΔТ=

Август ΔТ=

Сентябрь ΔТ=

Октябрь ΔТ=

Т_р = ΔТ+Т_окр (9)

Таблица №4. Данные помесячных значений Т_р

Расчёт нагрузки горячего водоснабжения L_гвс

L_гвc =

где N - количество дней в месяце, n - количество жильцов, Т_гр - температура горячего водоснабжения, Т_хв - температура холодной воды (для зимы 5⁰С, для весна - осень 10⁰С, лето 15⁰С), ρ - плотность воды, - теплоёмкость 1,16 Вт*ч/л*С⁰, 100 - норма расхода горячей воды на человека.

Январь

L_гвc =

Таблица №5. Данные помесячных значений L_гвc

Определение коэффициента замещения

где  

где x, y - безразмерные величины,  - 0,93, -4,5 Вт/м², -0,85, - коэффициент отражающий уменьшение выработки полезного тепла при использование 2-х контурной системы,  - оптический коэффициент приведённая оптическая характеристика,  - базисная температура 100⁰С, Т_о - температура окружающей среды, -число секунд в месяце, -число дней в месяце, А-20м²

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Коэффициент замещения f методом Валова - Казаджана

где  

Январь

Таблица №6. Сводная таблица расчётов

В ходе расчётов выявлено что СК «АРГО» установленный под углом 90⁰ по отношению к горизонту начинает работать уже в январе месяце, и наиболее эффективная работа весной и осенью.

Заключение

По оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т у.т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране.

Важно отметить, что экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился, и будет продолжать расти в связи с подорожанием традиционного топлива.

В данной курсовой мы рассчитали

. Коэффициенты пересчёта R_пр, R_∑

. Суммарную солнечную радиацию Э_β на наклонную поверхность по месяцам года

. Количество полезного тепла Q_пол по месяцам

. Годовой и помесячный коэффициент замещения f

Объектом расчетов был взят Советский район: широта 52,3⁰, долгота 107,7⁰. Расчёт для поверхности 90⁰ к горизонту.

Жилой дом на 5 человек S= 72 м²

В ходе расчётов выявлено что СК «АРГО» установленный под углом 90⁰ по отношению к горизонту начнет работать уже в январе месяце, и наиболее эффективной будет работать весной и осенью.

Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. В России солнечная энергетика существует только в виде небольших установок автономного энергоснабжения, не подключенных к энергосистеме и применяемых частными лицами и небольшими организациями.

Список используемой литературы

1. Лисиенко, В.Г. Хрестоматия энергосбережения: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 1 / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев // Под ред. В.Г. Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2005. - 688 с.

2. Лятхер, В.М. Развитие ветроэнергетики / В.М. Лятхер // Журнал «Малая энергетика». - 2006. - №1-2 (4-5).

3. Ресурсы Интернета. Тема реферата: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

. Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. - М.: ИП РадиоСофт, 2008. - 228 с.

. Тайсаева В.Т., Мазаев Л.Р. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Расчёт энергетических показателей: Учебное пособие /Под общ. ред. к.т.н., В.Т. Тайсаевой. - Улан - Удэ: Издательство БГСХА, 2002. - 107 с.

. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.   

7. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. - 3-е изд., перераб и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 564 с. - (Тепло-энергетика и теплотехника; Кн. 2).

8. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России

. Щелкунов Г. Солнечная энергетика. Глобальные проекты // Электроника. НТБ. 2002. №6.