Энергетические ресурсы Земли (стр. 18 )

1 - солнечный коллектор; 2 - аккумулятор тепла; 3 – теплообменник

Установки солнечного теплоснабжения можно разделить на две основные группы: 1) работающие по разомкнутой, или прямоточной, схе­ме (рис.5.13); 2) работающие по замкнутой схеме (рис.5.14).

В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис.5.13,а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис.5.13,в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. В установках второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо че­рез бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис.5.14,а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис.5.14.б), так и вне его (рис.5.14,в).

Рис.5.14. Схемы замкнутых гелиосистем

Основным элементом гелиоустановок являются солнечные коллек­торы, которые могут быть двух типов: фокусирующие и плоские. Фокусирующие коллекторы позволяют обеспечить нагрев теплоносителя до сравнительно высоких температур (400-600 К). Основной их недоста­ток заключается в том, что в них воспринимается только прямая сос­тавляющая солнечной радиации, хотя диффузная составляющая может доходить до 40% суммарной радиации, особенно в северных широтах. Фокусирующие коллекторы применяются в башенных электростанциях. В системах теплоснабжения наибольшее распространение получили плос­кие коллекторы (рис.5.15). Большинство плоских коллекторов имеют следующие элементы: 1) прозрачное покрытие из одного или несколь­ких слоев стекла или другого прозрачного материала; 2) поглощающую поверхность с каналами для прохода теплоносителя и оребрением различной формы; 3) изоляцию для уменьшения тепловых потерь: 4) корпус.

Рис.5.15. Поперечный разрез плоского солнечного коллектора:

1 - корпус; 2 - изоляция; 3 - поглощающая поверхность; 4 - проз­рачное покрытие

Принцип действия плоского коллектора следующий. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверх­ностью. Часть поглощенной энергии передается теплоносителю, цирку­лирующему через коллектор, а часть теряется в результате теплооб­мена с окружающей средой через прозрачное покрытие и стенки корпу­са. Обычно используют одно - или двухслойное прозрачное покрытие. В качестве поглощающей поверхности может быть использован лист из металла (сталь, алюминий, медь) или другого материала с каналами для прохода теплоносителя. Поглощающую поверхность зачерняют для повышения поглощающей способности.

5.7. Ветроэнергетические установки

Ветроагрегат, предназначенный для производства электроэнер­гии, в самом общем виде представляет собой ветродвигатель, преоб­разующий энергию воздушного потока во враща-тельное движение вала ротора (ветроколеса); вырабатываемая в генераторе электроэнергия может подаваться в сеть. Скорость ветра непрерывно меняется, что приводит к соответствующим колебаниям механической мощности на ва­лу ветроколеса. Максимальную мощность ветродвигателя с горизон­тальной осью вращения, параллельной направлению ветра, можно опре­делить по выражению

(5.12)

где D - диаметр ветроколеса; r - плотность ветра; V - скорость набегающего потока ветра.

При конструировании, ветродвигателя обычно ставится задача по­лучить агрегат, который может работать при больших скоростях ветра и одновременно обеспечивать высокий КПД преобразования. Выполнение последнего условия зависит от двух факторов: формы лопастей и быстроходности. У ветроколес с горизонтальной осью, параллельной потоку, в зависимости от рабочих параметров и условий работы обыч­но имеются либо две, либо три лопасти. Двухлопастное колесо обес­печивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако в ряде случаев оно подвержено значительным вибрационным нагрузкам, от­сутствующим в трехлопастном ветроколесе. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее мас­су. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и особенно армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными, ха­рактеристиками.

Из (5.12) на первый взгляд следует, что максимальная мощность неограниченно возрастает с ростом скорости ветра. Однако это вер­но лишь теоретически, на практике же еще необходимо, чтобы КПД также имел максимальное значение, что осуществимо при условии J=V/3 ( V - изменение скорости ветра при подходе к ветроколеcу). Для ветроколеса с горизонтальной осью вращения, форма и раз­меры которого заданы, это условие выполняется лишь при одном зна­чении скорости. Таким образом, в конструкции ветродвигателя зало­жено некоторое максимальное значение скорости Vmax, при котором он должен работать. При скоростях ветра ниже Vmах выходная мощ­ность ветродвигателя меньше номинальной; а при скоростях, больших Vmax - падает КПД преобразования энергии ветра в механическую. Так, при увеличении скорости ветра на 33% вырабатываемая мощность - удвоится, а при ее уменьшении на 33% упадет вдвое. Для ветродвига­теля существует также минимально допустимая скорость ветра. Ветро-колесо с горизонтальной осью вращения должно вращаться, начиная с некоторой минимальной скорости ветра, но максимальная мощность вы­бирается лишь при номинальном значении скорости, которая на 9-16 км/ч больше среднегодовой скорости ветра для данной местности.

При изменении скорости ветра происходят колебания электричес­кой мощности, создаваемой ветроагрегатом: Эти колебания приводят к изменениям активной и реактивной мощности, напряжения и силы тока. Воздействие колебаний выходной мощности можно сгладить аккумулиро­ванием энергии.

Существует несколько путей использования энергии ветра электроснабжающими компаниями.

Режим экономии топлива. Этот метод заключается в непосредс­твенной подаче электроэнергии от ветроустановки в электрическую систему. Во время ее работы экономится топливо. Метод не требует аккумулирования энергии, и его можно применять во всех сетях.

Режим непрерывной выработки электроэнергии. При таком режиме электроэнергия от ветроустановки сперва поступает в аккумулирующую систему, а оттуда в электрическую сеть.

Режим параллельной работы ветроустановок с ГЭС и ГАЭС также позволяет экономить топливо.

Разработкой ветроустановок занимаются многие страны. Крупные ветроустановки в большинстве стран строятся с горизонтальным ва­лом, имеющим диаметр до 100 м. Наиболее крупные ветроустановки ра­ботают в Германии (3000 кВт), Швеции (3000 кВт), Великобритании (3700 кВт), США (2500, 3000 кВт). В Канаде действует ветроустановка с вертикальным валом мощностью 4000 кВт.

В РФ в настоящее время разрабатываются унифицированные ветроэнергетические установки мощностью от 1 до 250 кВт.