Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
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. Значение qi для солнечных коллекторов южной ориентации следует принимать в интервале с 8-ми утра до 16-ти дня. При отклонении на восток или… Читать ещё >
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
ФГОУ ВПО «Саратовский Государственный Аграрный Университет».
Факультет Электрификации и Энергообеспечения.
Кафедра: Энергообеспечения предприятий АПК.
Курсовая работа
На тему: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.
Саратов 2007 г.
Введение
Исходные данные на проектирование Расчет плоского солнечного коллектора и экономии топлива Расчет биогазовой установки Расчет ветродвигательной установки Список литературы
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? С Угол наклона коллектора — май — 47?
Коэффициент Ps — 0,89
Коэффициент теплорасхода v — 4 Вт/м2К Оптическая характеристика коллектора О — 0,53
Температура воды:
вход — 10? С выход — 95? С температура наружного вохдуха — +1 ?С.
Рис. 1. Схема солнечной нагревательной установки для отопления помещений:
1 — 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 Nг=150
3 — 5 лет — 50%
1,5 — 1 год — 20%
1 — 0,6 лет — 30%
Температура брожения — 50? С Продолжительность брожения — 13сут.
Температура:
воды — 50? С биомассы — 16? С режим процесса — непрерывный система теплоснабжения — газовая.
ВЭУ.
Скорость ветра — v = 24 м/с Поверхность, омываемая лопастями, А = 10 м2
Аэродинамический коэффициент Сх=0,88
Плотность воздуха p = 1,23 кг/м3
Температура окружающей среды t = 16? С Давление окружающей среды — 1,013*105Па
Расчет плоского солнечного коллектора и экономии топлива
Площадь поглощающей поверхности гелиоустановок при наличии резервного источника теплоты:
A=1,16Mr(tr — tx)/з?qi
где Mr — расход горячей воды в системе горячего водоснабжения или отопления, кг/сутки;qi — интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2; ?qi — то же в сутки.
з — КПД установки солнечного горячего водоснабжения.
Интенсивность падающей солнечной радиации для каждого светового дня
qi=ps•Is+pd •Id
где ps и pd — коэффициент расположения солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной радиации.
pd=cos2(b/2)
ветроэнергетический солнечный коллектор биогазовый где b — угол наклона коллектора к горизонту;
Is — интенсивность падающей солнечной радиации, которая приходится на горизонтальную поверхность, Вт/м2;
Id — интенсивность рассеянной радиации, которая падает на горизонтальную поверхность, Вт/м2;
Значение qi 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 qi будет отклоняться на 1 час раньше или позже (с 7-ми утра по 1500 или с 900 по 1700).
Is5=208+302+371+418+429+418+382+338=2866 Вт/м2
pd5=127+152+185+197+208+208+185+185=1447 Вт/м2
q5=2866*0.89+1447*0.84=3766.2 Вт/м2
где н — приведенный коэффициент теплорасхода солнечного коллектора, Вт/(м2•К);
И — приведенная оптическая характеристика коллектора;
t1 и t2 — температура воды на входе и выходе из коллектора соответственно;
tH — средняя дневная температура наружного воздуха, 0С.
Принимаем площадь поглощающей поверхности 1-го коллектора Ак=2м2, габаритные размеры 2×1 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;
КТА — коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, для трубчатых теплообменников можно принять КТА =1500−1700 Вт/(м2*К);
ДtТА. — разность температур; в данном случае:
ДtТА.=(tmax+tmin)/2
tmax и tmin — соответственно максимальный и минимальный перепады температур на входе и выходе (на концах) теплообменника.
Ф = 3766,2*36=135 583,2 Вт ДtТА.=(95+10)/2=52,5 ?С Примем латунные трубы dН/dВ=14/12. мм, тогда минимальная длинна трубы:
Количество теплоты, выработанной гелиоустановкой за сезон Qсез, ГДж:
Qсез=зсез*qпад*А
где qпад — годовые суммы падающей солнечной радиации.
Интенсивности прямой солнечной радиации для сезона работы по месяцам:
Is 4 = 127+208+279+302+313+313+279+232 = 2053 Вт/м2
Is 6 = 244+324+429+451+451+429+418+371 = 3117 Вт/м2
Is 7 = 232+329+360+407+418+396+371+313 = 2826 Вт/м2
Is 8 = 152+244+313+360+371+360+324+279 = 2403 Вт/м2
Is 9 = 80+138+197+232+244+232+221+185 = 1529 Вт/м2
Интенсивности рассеянной солнечной радиации для сезона работы по месяцам:
Id 4 = 105+138+185+208+221+232+208+185 = 1485 Вт/м2
Id 6 = 127+163+185+197+208+221+208+185 = 1494 Вт/м2
Id 7 = 127+163+197+206+221+232+221+208 = 1575 Вт/м2
Id 8 = 116+138+174+197+208+208+197+174 = 1412 Вт/м2
Id 9 = 69+116+138+163+174+174+163+138 = 1135 Вт/м2
qпад = 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) = 402 204.35 +219 134.16 =621 338.51 Вт/м2
Значения зсез в зависимости от характеристик солнечных коллекторов Ас, м2/(ГДж• сутки) и Vc, м3/(ГДж• сутки), которые соответствуют единице суточной тепловой нагрузки систем горячего водоснабжения или отопления.
зсез = 0,38
Количество условного топлива сэкономленного, благодаря использованию солнечной радиации, условного топлива, т/сез:
ззам — КПД замененного источника теплоты;
(если это электричество, то ззам=зэ=0,3)
т
Расчет биогазовой установки
Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:
где Ni количество животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;
mj — 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
mсут = 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 Кп=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 Кп суточный выход навозной массы определяется по формуле:
где Кп — принимаем равным 1,5.
кг/сут Масса сухого вещества в навозе mс.в.:
;
где W% - влажность навоза (для свежего навоза Wсв=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 Wсв=85%, тогда
кг/сут Масса сухого органического вещества mсов:
где Рс.о.в — содержание сухого органического вещества; в навозе составляет 77−85%, если принять Рс.о.в=80%, тогда
кг/сут Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания, Vв.б.н.
Vпол.б.— выход биогаза при полном сбраживании. n1 — степень сбраживания субстрата, n1=60−70%.
Выход биогаза при полном сбраживании ;
Vпол.б.=mc.o.в*nск=634,5*0,315=200 м3.
nс.к — средний выход биогаза с 1 кг органического вещества nс.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:
Qт.р.=Qп+Qо.с.+Qмех.
где Qп— потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;
Qо.с. — потери теплоты в окружающую среду;
Qмех — 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:
Qп= *Сс*(tб-tз.м) 86 400
mсут — суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90−92%;
Сс — теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды — 4,18*10-3 МДж/(кг*К));
при = =
?С
Qп=6000•4,8•10-3 •(50−20)=752,4 МДж/(кг•К•сут) Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:
Qо.с=к*F*(tб-tо.с)•86 400.
где к — коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2*К).
F — площадь наружной поверхности реактора, м2.
tо.с — температура окружающей среды, °С.(tо.с=7,1°С)
tБ — температура биомассы, °С.(tб=50°С) Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3 по значению Vр 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)
;
бв и бн 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+56tб-0,09tб2.
tб — температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева). Дt=tб-tст1.
Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки tст1 принимаем tст1=49,5 °С (при обогреве биомассы водяной рубашкой), Дt=tст1-tб=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 б1 находим ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или земли).
Здесь — дст — толщина стенки реактора. Для стальных реакторов дст=5мм, лст — коэффициент теплопроводности материала, для стали лст=40 ккал/м2*ч*град.
(д/л)загр.— коэффициент загрязненности поверхности. Для стальной поверхности покрытой битумом (д/л)загр.=1/1500.
q — тепловое напряжение или тепловой поток, q=б1* Дt.
Зная величины tст1, дст, лст, (д/л)загр и q находим tст2.
q = б1* Дt=7390•0,5=3695 Вт/м2
°С.
Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле б2 необходимо знать температуру tст3. т. е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:
.
Однако здесь необходимо знать искомую б2. Для приближенных расчетов при tст1<50°C можно принять
.
Дtизол. — перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Дtизол.=(0,9…0,95) tст2.
При Дtизол.=0,95tст2=0,95*42,7=38,43°С.
= 42,7−38,43=4,27 °С.
ЬН=9.3+0.465+7vV
примем V=4м/с — скорость ветра ЬН=9.3+0.465•4,27+7v4=25,3 Вт/(м2*К).
Вт/(м2*К).
Qо.с=111.5*0.198*(50−7.1)•86 400=81.83•106Дж/сут=81.83МДж/сут Расход энергии на перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле:
Qмех=gнорм*Vр.п.з*tz
где gнорм — удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона лопастей gнорм=(50…80) Вт/м3*час.
Vр.п.з — объём реактора заполненный субстратом, м3. Vр.п.з=90 м3;
tz — продолжительность работы мешалки.
За сутки tz=tz'*n', где tz' - продолжительность перемешивания за один раз, tz'=3−5 минут; n' - число перемешиваний, n'=6−12 раз.
Принимаем tz'=5 мин, n'=12 получим tz=5*12 = 60 минут =1 час.
Qмех=80•90•1=7200 Дж/сут=7.2 кДж/сут
Qт.р.=752,4+81,83+0,0072=834,23 МДж/сут
Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:
а) При полном брожении:
Qб.г=Vпол.б*Нuб.г
где Vпол.б=200 м3/сутки; Нuб.г— низшая теплота сгорания биогаза Нuб.г=22−28МДж/м3.
Qб.г=200•25=5000 МДж/сут б) При неполном брожении субстрата:
Qв.б.н. = 140•25=3500 МДж/сут Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.
EБ.Г.У=Qб.г — Qт.м =Qб.г — (Qп + Qо.с + Qмех).
EБ.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 Др.г.-дни работы БГУ в году, Др.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, с-плотность воздуха, кг/м3, х — скорость ветра.
Н Обозначим через «u» скорость вращения лопатки ветроколеса. Очевидно, относительная скорость набегающего ветра будет х — 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
N=0,481*D2*х3*з*10-3, (р=3,14; с=1,23)
N=0,481*(2*1,78)2*243*0,03*10-3=2528 Вт
[При t=0°С и Р=1,013*105]
N=0,5074*D2*х3*з*10-3
N=0,5074*(2*1,78)2*243*0,03*10-3=2667 Вт Быстроходность ветродвигателя Z:
На рисунке приведена принципиальная схема ветроогрегата:
1. Агрегат ветроэлектрический унифицированный типа АВЭУ6−4М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. — М.: ВЕТРОЭН, 1986.-34 с.
2. Усаковский В. М. Возобновляющиеся источники энергии. — М.: Россельхозиздат, 1986. — 126 с.
3. Тверитин А. В. Использование ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. — М.: ВНИИТЭИСХ, 1985. — 60 с.
4. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР. — 6-е изд., перераб. и доп. — Красноярск: Красный Яр, 1998 -656 с.