Перспективные технологии в электроэнергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тамбовский Государственный Технический Университет

Контрольная работа

Перспективные технологии в электроэнергетике

Задача 1

электростанция геотермальный энергия биогаз

На солнечной электростанции башенного типа установлено n=253 гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность F_г=61м². Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность Н _пр = 2,5МВт/м². Коэффициент отражения гелиостата R_г=0,8. коэффициент поглощения приемника А_пр=0,95. Максимальная облученность зеркала гелиостата H_г=600 Вт/м². Определить площадь поверхности приемника F_пр и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, если рабочая температура теплоносителя составляет t =680°С. Степень черноты приемника е_пр =0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.

Решение:

Энергия, полученная приёмником от солнца через гелиостаты (Вт),может быть определенна по формуле:

Q = R_г·А_пр·F_г Н_г ·n,

где Н_г - облученность зеркала гелиостата в Вт/м² (для типичных условий H_г= 600 Вт/м²);

F_г- площадь поверхности гелиостата, м²

n - количество гелиостатов;

R_г - коэффициент отражения зеркала концентратора, R_г =0,7ч0,8;

A_пр - коэффициент поглощения приемника, А_пр < 1.

Q=0,8·0,95·61·600·253=7037448 Вт=7,04 МВт Площадь поверхности приемника может быть определена, если известна энергетическая освещенность на нем Н_пр Вт/ м²,

F_пр=Q/H_пр

F_пр=7,04/2,5=2,81 м²

В общем случае температура на поверхности приемника может достигать t_пов= 1160 К, что позволяет нагреть теплоноситель до 700 ^оС. Потери тепла за счет излучения в теплоприемнике можно вычислить по закону Стефана-Больцмана:

q_луч = е_пр·C_o·(T/100)⁴, Вт/м²

где T - абсолютная температура теплоносителя, К;

е_пр - степень черноты серого тела приемника;

C_o - коэффициент излучения абсолютно черного тела, C_o = 5,67 Вт / (м²·K⁴).

q_луч=0,95·5,67·(660+273/100)⁴=44,5·10³ Вт/м²

Полную величину удельных потерь определим суммой потерь тепла на излучение и конвективных потерь:

q_пол= q_луч+q_кон=44,5·10³/2=66,75кВт/м²

Для найденной площади приёмника получим:

Q_пол= q_пол· F_пр=66,75·2,81=187,5675=187,6 кВт.

Ответ: площадь поверхности приемника F_пр =2,81 м² и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, Q_пол=187,6 кВт.

Задача 2

Считается, что действительный КПД з океанической ТЭС, использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (T₁-T₂)= ?T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, з_t^k. Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t₁ =30°С, а температура воды на глубине океана t₂=5 °С. Какой расход теплой воды V, m/ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт?

Считать, что плотность воды с= 1·10³ кг/м³ , а удельная массовая теплоемкость С_p = 4,2·10³ Дж/(кг-К).

Решение:

Разность температур поверхностных и глубинных вод определяется по формуле:

?T=(T₁-T₂)=30-5=25.

Термический КПД установки, работающей по циклу Карно, з_t^kравен:

з_t^k=?T/ T₁=25/25+273=0,08.

В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N_о (Вт) может быть определён как:

N_о= з_t^k·Q_о

Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина (по условию):

з д=0,5· з_t^k=0,5·0,08=0,04.

Механическая мощность Q_о (Вт), полученную от тёплой воды можно представить как:

Q_о=N/ з д=9/0,04=225 МВт

Или как Q_о= с·V·С_p·?T отсюда расход тёплой воды V;

V= Q_о/с·С_p·?T=225000000/ (1·10³·4,2·10³·25)=2,14 м³/c

Ответ: действительный КПД ОТЭС з д=4%,расход тёплой воды V=2,14 м³/c.

Задача 3

Определить начальную температуру t₂ и количество геотермальной энергии Е_o (Дж) водоносного пласта толщиной h=0,7 км при глубине залегания z=3,0 км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р_гр = 2700 кг/ м³; пористость б=5%; удельная теплоемкость С_гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) =70 °С /км. Среднюю температуру поверхности t_o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды с= 1·10³ кг/м³ . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допустимую температуру пласта принять равной t₁ =40 ° С. Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии ф_o(лет)при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м³/(с·км²). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz)_ф=0 и через 10 лет (dE/dz)_ф=10?

Решение:

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

T_г=T_o+(dT/dz)·z,

T_г =10+70·3=220°С=220+273=493 К

где Т_o - температура на поверхности Земли, К (° С).

Теплоемкость пласта С_пл (Дж/К) можно определить по уравнению.

C_пл=[б·с_в·C_в+(1- б)·с_гр·C_гр]·h·F

C_пл=[0,05·1·10³·4200+(1-0,05)·2,7·10³·840]·700·1·10⁶= 1655220000 ·10⁶ =165522 ·10¹⁰ Дж / К

где р_в и С_в - соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость воды;

р_гр и С_гр - плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р_гр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т₁ (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

E₀=C_пл·(T₂-T₁)

E₀=165522·10¹⁰·(220-40) = 29793960·10¹⁰=2,9·10¹⁷ Дж

Постоянную времени пласта ф₀ (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м³/с) можно определить по уравнению:

ф₀=C_пл/(V·с_в·С_в)

ф₀= 165522·10¹⁰/0,1·1000·4200=3,9·10⁹=124 года. Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

E=E₀·e ^-(ф/фo⁾

где ф - число лет с начала эксплуатации;

е - основание натуральных логарифмов (e=2,71828 число Эйлера)

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени ф (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

= 2,9·10¹⁷ /3,9·10⁹ =0,73·10⁸ =73МВт

Тепловая мощность геотермального пласта через 10 лет:

Ответ: начальная температура T_г=220°С,тепловой потенциал к началу эксплуатации E₀=2,9·10¹⁷ Дж, возможное время использования пласта ф₀= 124 года; тепловая мощность извлекаемая первоначально -73МВт ,через 10 лет-67МВт.

Задача 4

Определить объем биогазогенератора V_б и суточный выход биогаза V_г в установке, утилизирующей навоз от n=20 коров, а также обеспечиваемую ею тепловую мощность N (Вт). Время цикла сбраживания ф = 14 сут при температуре t = 25° С; подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идет со скоростью W = 2 кг/сут; выход биогаза из сухой массы н_г= 0,24 м³ /кг. Содержание метана в биогазе составляет 70 %. КПД горелочного устройства з=0,7. Плотность сухого материала, распределенного в массе биогазогенератора, р _сух ?50 кг/м^г. Теплота сгорания метана при нормальных физических условиях Q_н^р =28 МДж/м³.

Решение:

Одним из видов биотоплива являются отходы жизнедеятельности животных (навоз), при переработке которых (сбраживание) в биогазогенераторах можно получать биогаз, в состав которого (70 % по объему) входит метан; теплота сгорания метана при НФУ Q_н^p =28 МДж/м³. Время полного сбраживания субстрата, состоящего из воды, навоза и ферментов, в зависимости от температуры изменятся от 8 до 30 сут. Плотность сухого материала в субстрате составляет р_сух ?50 кг/m³. Выход биогаза от 1 кг сухого материала в сутки составляет примерно н_г =0,2 ч 0,4 м³/кг. Скорость подачи сухого сбраживаемого материала в биогазогенератор (метантенк) W зависит от вида животных и их количества на ферме. Если обозначить через т₀ (кг/сут) подачу сухого сбраживаемого материала, то суточный объем жидкой массы, поступающей в биогазогенерагор (м³/сут) можно определить по формуле:

V_сут=m₀/с_сух

Подача сухого сбраживаемого материала от 20 животных идет со скоростью m0 (кг/сут):

m0=W·n=2·20=40 кг/сут;

V_сут=40/50=0,8 (м³/сут)

Объем биогазогенератора, необходимого для фермы (м³):

V_б=ф·V_сут

V_б= 14·0,8=11,2 (м³)

Суточный выход биогаза:

V_г=m₀·н _г

V_г=40·0,24=9,6 (м³/сут)

Тепловая мощность устройства, использующего биогаз (МДж/сут).

N=з·Q_н^р·V_г·ѓ_м

N=0,7·28·9,6·0,7=131,7(МДж/сут)

где f_м - объемная доля метана в биогазе;

з - КПД горелочного устройства ( ? 70%).

Ответ: объем биогазогенератора Vб=11,2 м3, суточный выход биогаза Vг =9,6 м3/сут, тепловая мощность устройства, использующего биогаз N =131,7 Мдж/сут.

Задача 5

Для отопления дома в течение суток потребуется Q=0,58 ГДж теплоты. При использовании для этой цели солнечной энергии тепловая энергия может быть запасена в водяном аккумуляторе. Допустим, что температура горячей воды t₁ =50 ° С. Какова должна быть емкость бака аккумулятора V (м³), если тепловая энергия может использоваться в отопительных целях до тех пор, пока температура воды не понизится до t₂ =30 °C? Величины теплоемкости и плотности воды взять из справочной литературы.

Решение:

с=1000 кг/м3.

ср=4,2·10³ Дж/(кг·К).

Пятая задача посвящена определению емкости водяного аккумулятора тепловой энергии, предназначенного для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилом доме. Источником тепловой энергии может быть, например, солнечная энергия, улавливаемая солнечными панелями па крыше дома. Циркулирующая в панелях вода после нагрева направляется в бак - аккумулятор, а оттуда насосом в отопительные батареи и к водоразборным кранам горячего водоснабжения. Могут быть и более сложные, комплексные системы аккумулирования тепла с использованием засыпки из гравия и др. Необходимый объем бака - аккумулятора V (м³) для воды можно определить по известному уравнению для изобарного процесса, если знать: суточную потребность в тепловой энергии для дома Q (ГДж); температуру горячей воды, получаемой в солнечных панелях t₁ ⁰С; наименьшую температуру в баке t₂ °C, при которой еще возможно действие отопительной системы:

Q=с·V·Cр·(t₁-t₂)

где р - плотность морской воды, кг/м³,

С_р - удельная массовая теплоемкость воды при р = const в Дж/(кг · К).

Отсюда V=Q/ с·Cр·(t₁-t₂)=0,58/1000·4,2·10³·(50-30)= 6,9 м³

Ответ: емкость бака аккумулятора V=6,9 м³.

Задача 6

Используя формулу Л.Б. Бернштейна, оценить приливный потенциал бассейна Э _пот (кВт·ч), если его площадь F=700 км², а средняя величина прилива R_ср =7,5 м.

Решение:

Шестая задача посвящена оценке энергетического потенциала Э_пот (кВт·ч) приливной энергии океанического бассейна, имеющего площадь F км², если известна средняя величина приливной волны R_ср м. В научной литературе существует несколько уравнений, позволяющих определить приливный потенциал бассейна. Одно из них предложено отечественным ученым Л.Б. Бернштейном.

Э_пот =1,97·10⁶·R²_ср·F

Э_пот =1,97·10⁶ ·7,5²·700=77,6·10⁹ (кВт·ч)

Ответ: приливный потенциал бассейна Э_пот =77,6·10⁹ (кВт·ч)

Задача 7

Как изменится мощность малой ГЭС, если напор водохранилища Н в засушливый период уменьшится в n=2 раз, а расход воды V сократится на m=20 %? Потери в гидротехнических сооружениях, водоводах, турбинах и генераторах считать постоянными.

Решение:

Седьмая задача посвящена оценке изменения мощности малой ГЭС при колебаниях расхода воды и напора. Известно, что мощность ГЭС (Вт) можно определить по простому уравнению:

N=9,81·V·H·з

где V - объемный расход воды в м³/с;

Н - напор ГЭС в м;

з - КПД ГЭС, учитывающий потери в гидравлических сооружениях, водоводах, турбинах, генераторах. Для малых ГЭС з?0,5.

КПД гидротурбин изменяется в пределах 0,5 ч 0,9.

V_зас=0,8·V

H_зас=H/2

N/N_зас=9,81·V·H·з/ ·V_зас·H_зас·з = 9,81·V·H·з/9,81·0,8·V·H/2 · з=2/0,8=2,5 раза.

Ответ: мощность малой ГЭС в засушливый период уменьшится в 2,5 раза.

Размещено на Allbest.ru