Файл: Отчет по контрольной работе по дисциплине Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии.docx
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
пр = 2,5 МВт/мг. Коэффициент отражения гелиостата Rг . коэффициент поглощения приемника Апр =0,95. Максимальная облученность зеркала гелиостата Hг=600 Вт/мг .
Определить площадь поверхности приемника Fпр и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, если рабочая температура теплоносителя составляет t °С. Степень черноты приемника епр =0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.
Исходные данные
Количество гелиостатов n=200
Площадь поверхности гелиосатаFг=36 м2
Температура поверхности приемника t=500 °С
Коэффициент отражения гелиостата Rг =0,68
Расчет:
Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты (Вт), может быть определена по уравнению:
Q = Rг·Апр·Fг Нг ·п = 0,68·0,95·36·600·200=2790720 Вт
где Нг - облученность зеркала гелиостата в Вт/м2
Fг- площадь поверхности гелиостата, м2 ;
п - количество гелиостатов;
Rг - коэффициент отражения зеркала концетратора,
Aпр - коэффициент поглощения приемника.
Площадь поверхности приемника может быть определена, если известна энергетическая освещенность на нем Нпр Вт/ мг ,
Fпр=Q/Hпр=2790720/2500000=1,116 м2
Потери тепла за счет излучения в теплоприемнике можно вычислить по закону Стефана-Больцмана:
qлуч = εпр·Co·(T/100)4=0,95·5,67·
=1,92·10 4 Вт/м2
где T - абсолютная температура теплоносителя, К;
епр - степень черноты серого тела приемника;
Co - коэффициент излучения абсолютно черного чела, Вт / (м2·K4)
Вт
Ответ: Площадь поверхности приемника Fпр=1,116 м2, тепловые потери, вызванные излучением и конвекцией
Вт
Для отопления и горячего водоснабжения индивидуального жилого дома требуется Q ГДж, в сутки теплоты. Определить емкость бака водяного аккумулятора тепловой энергии V, м для системы солнечного отопления, если допустимый диапазон изменения температуры горячей воды в аккумуляторе составляет t1/t2
Исходные данные
Суточное потребление теплоты на отопление и ГВС 0,5 ГДж
Верхняя граница температурного диапазона 80 °С
Нижняя граница температурного диапазона 60 °С
Расчет
Необходимый объема бака аккумулятора можно определить по формуле, м3
Где ρ- плотность воды, кг/м3
С – теплоемкость воды, кДж/кг°С
Ответ: Объем бака аккумулятора составит 5,97 м3
Определить величину КПД океанической тепловой электростанции (ОТЭС) использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод. Какой расход теплой воды V, м3/ч потребуется для ОТЭС мощностью N, МВт? При расчетах принять, что действительно КПД ОТЭС, работающей по циклу Ренкина вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно.
Исходные данные
Температура воды на поверхности океана t1 32°С
Температура воды на глубине океана t2 6°С
Мощность ОТЭС N 1,5 МВт
Расчет
Разность температур поверхностных и глубинных вод:
∆T = T1-T2 = 32-6=26 K.
Термического КПД установки, работающей по циклу Карно, ηtk:
ηtk=(∆T)/T1=
.
В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N0 (Вт) может быть определена как:
N0=ηtk·Qo
Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина (по условию):
ηдейств=0,5· ηtk=0,5·0,0852=0,0426
Механическая мощность N (Вт) в установке, работающей по циклу Ренкина:
N= ηдейств ·Qo
Тепловую мощность Qo (Вт), полученную от теплой воды можно представить как:
=
35,19 МВт
или как Q0=p·V·Cp·∆T, отсюда расход теплой воды V:
м3/c
Ответ: действительного КПД ОТЭС ηдейств=4,26 %, расход теплой воды V = 0,323 м3/c
Определить энергетический потенциал прилива океанического бассейна, если известны : высота прилива и площадь рассейна
Исходные данные
Средняя высота прилива 4,8, м
Площадь поверхности бассейна 400 км2
Расчет
Определим энергетический потенциал приливной волны по уравнению Бернштейна, кВт ч:
Где R – средняя высота приливной волны, м
F – площадь поверхности бассейна, км2
Ответ: энергетический потенциал приливной волны 18155,5 ГВт ч
Как изменится мощность малой ГЭС если напор водохранилища H в период засухи уменьшится в n раз, расход воды сократиться на m%. При выполнении расчетов полагать, что потери в гидравлических сооружениях и основном оборудовании малой ГЭС при этом не изменится
Исходные данные
n=2
m=15%
КПД малой ГЭС 0,45
Расчет
Мощность малой ГЭС можно определить по формуле:
N=9,81∙ρ∙V∙H∙η,
Где ρ – плотность воды, кг/м3
Н – напор воды
V- объемный расход воды в м3/с
η – КПД ГЭС
Пусть N – мощность малой ГЭС. Известно, что напор водохранилища H в засушливый период уменьшится в 2 раза, а расход воды V сократится на 15 %, то есть Vзас=0,85·V, Hзас = H/2.
раза
Ответ: мощность малой ГЭС в засушливый период уменьшится в 2,35 раза.
Солнечная энергетика. Эволюция солнечной батареи
Фотовольтаика – это прямое преобразование световой энергии солнца в энергию электрическую. История солнечных батарей берет начало в первой половине XIX века, когда в 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество.
Открытие
Впервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.
Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)
Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений.
Фундаментальные исследования
В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя опыты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник изменяет сопротивление. Открытие повлекло за собой целый ряд серьезных исследований по этой тематике.
Смит Уиллоуби (1828-1891)
В 1876 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем обнаружили, что селен способен сам вырабатывать электричество, если его осветить достаточно мощным источником света. И хотя селен не пригоден к тому, чтобы вырабатывать электричество достаточной мощности, это исследование показало, что можно получать электроэнергию непосредственно из твердых материалов, без использования тепловой или механической энергии.
В 1883 году житель Нью-Йорка Чарльз Фриц создал первый в мире модуль из селеновых элементов. Этот модуль стал предшественником современных модулей фотовольтаики. Однако все фундаментальные работы по исследованию фотоэлектрического эффекта вызывали у многих ученых того времени большое сомнение в серьезности и перспективности этого открытия.
В 1884 году Юлий Элстер совместно с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную исследованию фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл новые свойства элементов, которые он назвал «внешний фотоэффект».
Генрих Рудольф Герц (1857–1894)
Тщательное исследование этого явления он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году независимо от Гальвакса итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых практически совпали с результатами Гальвакса.
С 1888 по 1891 год исследованием внешнего фотоэффекта вплотную занимался выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов. На основании своих исследований он создал первый в мире фотоэлемент, в основу действия которого был положен внешний фотоэффект. Изучая зависимость силы тока от интенсивности излучения, попадающего на фотокатод, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, который получил имя ученого – закон Столетова.
Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896)
Совместно с Гальваксом в 1889 году было открыто явление старения фотоэлементов – так называемое фотоэлектрическое утомление. Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта.
Этим инструментом успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Альберт Эйнштейн (1879 – 1955)
В 1912 – 1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумел экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. За это и ряд других работ, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике.
Следующий важный и логический шаг в развитие полупроводниковой техники и фотовольтаики был сделан в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процессы кристаллообразования, названные впоследствии его именем.
Ян Чохральский (1885 – 1953)
Дальнейшее развитие его работы получили в сороковые годы ХХ века, а в пятидесятые годы резко возросли потребности в полупроводниковых элементах, которые стали широко применяться в различных сферах техники и радиоэлектроники.
Фотоэлементы
В 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр.
В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках.
Определить площадь поверхности приемника Fпр и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, если рабочая температура теплоносителя составляет t °С. Степень черноты приемника епр =0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.
Исходные данные
Количество гелиостатов n=200
Площадь поверхности гелиосатаFг=36 м2
Температура поверхности приемника t=500 °С
Коэффициент отражения гелиостата Rг =0,68
Расчет:
Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты (Вт), может быть определена по уравнению:
Q = Rг·Апр·Fг Нг ·п = 0,68·0,95·36·600·200=2790720 Вт
где Нг - облученность зеркала гелиостата в Вт/м2
Fг- площадь поверхности гелиостата, м2 ;
п - количество гелиостатов;
Rг - коэффициент отражения зеркала концетратора,
Aпр - коэффициент поглощения приемника.
Площадь поверхности приемника может быть определена, если известна энергетическая освещенность на нем Нпр Вт/ мг ,
Fпр=Q/Hпр=2790720/2500000=1,116 м2
Потери тепла за счет излучения в теплоприемнике можно вычислить по закону Стефана-Больцмана:
qлуч = εпр·Co·(T/100)4=0,95·5,67·
=1,92·10 4 Вт/м2 где T - абсолютная температура теплоносителя, К;
епр - степень черноты серого тела приемника;
Co - коэффициент излучения абсолютно черного чела, Вт / (м2·K4)
ВтОтвет: Площадь поверхности приемника Fпр=1,116 м2, тепловые потери, вызванные излучением и конвекцией
ВтЗадание 6
Для отопления и горячего водоснабжения индивидуального жилого дома требуется Q ГДж, в сутки теплоты. Определить емкость бака водяного аккумулятора тепловой энергии V, м для системы солнечного отопления, если допустимый диапазон изменения температуры горячей воды в аккумуляторе составляет t1/t2
Исходные данные
Суточное потребление теплоты на отопление и ГВС 0,5 ГДж
Верхняя граница температурного диапазона 80 °С
Нижняя граница температурного диапазона 60 °С
Расчет
Необходимый объема бака аккумулятора можно определить по формуле, м3
Где ρ- плотность воды, кг/м3
С – теплоемкость воды, кДж/кг°С
Ответ: Объем бака аккумулятора составит 5,97 м3
Практическое задание 6
Задание 7
Определить величину КПД океанической тепловой электростанции (ОТЭС) использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод. Какой расход теплой воды V, м3/ч потребуется для ОТЭС мощностью N, МВт? При расчетах принять, что действительно КПД ОТЭС, работающей по циклу Ренкина вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно.
Исходные данные
Температура воды на поверхности океана t1 32°С
Температура воды на глубине океана t2 6°С
Мощность ОТЭС N 1,5 МВт
Расчет
Разность температур поверхностных и глубинных вод:
∆T = T1-T2 = 32-6=26 K.
Термического КПД установки, работающей по циклу Карно, ηtk:
ηtk=(∆T)/T1=
.В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N0 (Вт) может быть определена как:
N0=ηtk·Qo
Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина (по условию):
ηдейств=0,5· ηtk=0,5·0,0852=0,0426
Механическая мощность N (Вт) в установке, работающей по циклу Ренкина:
N= ηдейств ·Qo
Тепловую мощность Qo (Вт), полученную от теплой воды можно представить как:
= 35,19 МВтили как Q0=p·V·Cp·∆T, отсюда расход теплой воды V:
м3/cОтвет: действительного КПД ОТЭС ηдейств=4,26 %, расход теплой воды V = 0,323 м3/c
Задание 8
Определить энергетический потенциал прилива океанического бассейна, если известны : высота прилива и площадь рассейна
Исходные данные
Средняя высота прилива 4,8, м
Площадь поверхности бассейна 400 км2
Расчет
Определим энергетический потенциал приливной волны по уравнению Бернштейна, кВт ч:
Где R – средняя высота приливной волны, м
F – площадь поверхности бассейна, км2
Ответ: энергетический потенциал приливной волны 18155,5 ГВт ч
Практическое занятие 7
Задание 9
Как изменится мощность малой ГЭС если напор водохранилища H в период засухи уменьшится в n раз, расход воды сократиться на m%. При выполнении расчетов полагать, что потери в гидравлических сооружениях и основном оборудовании малой ГЭС при этом не изменится
Исходные данные
n=2
m=15%
КПД малой ГЭС 0,45
Расчет
Мощность малой ГЭС можно определить по формуле:
N=9,81∙ρ∙V∙H∙η,
Где ρ – плотность воды, кг/м3
Н – напор воды
V- объемный расход воды в м3/с
η – КПД ГЭС
Пусть N – мощность малой ГЭС. Известно, что напор водохранилища H в засушливый период уменьшится в 2 раза, а расход воды V сократится на 15 %, то есть Vзас=0,85·V, Hзас = H/2.
разаОтвет: мощность малой ГЭС в засушливый период уменьшится в 2,35 раза.
Реферат
Солнечная энергетика. Эволюция солнечной батареи
Фотовольтаика – это прямое преобразование световой энергии солнца в энергию электрическую. История солнечных батарей берет начало в первой половине XIX века, когда в 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество.
Открытие
Впервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.
Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)
Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений.
Фундаментальные исследования
В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя опыты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник изменяет сопротивление. Открытие повлекло за собой целый ряд серьезных исследований по этой тематике.
Смит Уиллоуби (1828-1891)
В 1876 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем обнаружили, что селен способен сам вырабатывать электричество, если его осветить достаточно мощным источником света. И хотя селен не пригоден к тому, чтобы вырабатывать электричество достаточной мощности, это исследование показало, что можно получать электроэнергию непосредственно из твердых материалов, без использования тепловой или механической энергии.
В 1883 году житель Нью-Йорка Чарльз Фриц создал первый в мире модуль из селеновых элементов. Этот модуль стал предшественником современных модулей фотовольтаики. Однако все фундаментальные работы по исследованию фотоэлектрического эффекта вызывали у многих ученых того времени большое сомнение в серьезности и перспективности этого открытия.
В 1884 году Юлий Элстер совместно с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную исследованию фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл новые свойства элементов, которые он назвал «внешний фотоэффект».
Генрих Рудольф Герц (1857–1894)
Тщательное исследование этого явления он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году независимо от Гальвакса итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых практически совпали с результатами Гальвакса.
С 1888 по 1891 год исследованием внешнего фотоэффекта вплотную занимался выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов. На основании своих исследований он создал первый в мире фотоэлемент, в основу действия которого был положен внешний фотоэффект. Изучая зависимость силы тока от интенсивности излучения, попадающего на фотокатод, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, который получил имя ученого – закон Столетова.
Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896)
Совместно с Гальваксом в 1889 году было открыто явление старения фотоэлементов – так называемое фотоэлектрическое утомление. Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта.
Этим инструментом успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Альберт Эйнштейн (1879 – 1955)
В 1912 – 1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумел экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. За это и ряд других работ, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике.
Следующий важный и логический шаг в развитие полупроводниковой техники и фотовольтаики был сделан в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процессы кристаллообразования, названные впоследствии его именем.
Ян Чохральский (1885 – 1953)
Дальнейшее развитие его работы получили в сороковые годы ХХ века, а в пятидесятые годы резко возросли потребности в полупроводниковых элементах, которые стали широко применяться в различных сферах техники и радиоэлектроники.
Фотоэлементы
В 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр.
В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках.