Исследование и выбор параметров тепловой микро электростанции на основе двигателя стирлинга для автономных потребителей



страница2/4
Дата03.02.2020
Размер1,44 Mb.
Название файластатья Есенгалиева.docx
Учебное заведениеКарагандинский Государственный технический университет
ТипИсследование
1   2   3   4
Taranov A.V., Yessengalieva A.D.

Karaganda State Technical University


RESEARCH AND SELECTION OF THE THERMAL MICRO POWER STATION PARAMETERS BASED ON THE STIRLING ENGINE FOR AUTONOMOUS CONSUMERS

Annotation: This work is devoted to the development of a mathematical model of the Stirling engine of the Fluidine type, capable of working on renewable energy sources. The design features of this type of engine with an external supply of heat are considered on the example of its use in the composition of a solar thermal power plant. The purpose of this work: On the basis of theoretical calculations and a study to show the energy efficiency of alternative energy sources.

The relevance of the article lies in the fact that solar energy is the direction of alternative energy, based on the direct use of solar radiation for energy in any form.

The scientific novelty of this article is: in the formulation and solution of the problem of efficient use of solar energy; in identifying and justifying the conditions under which the use of Stirling engines has minimal impact on the environment
Keywords: energy, renewable energy, energy systems
Требования экономии энергетических ресурсов, непосредственно вытекающие из важнейшей народнохозяйственной задачи снижения энергоемкости национального продукта, могут быть выполнены следующими путями. Первый – это повышение эффективности преобразования первичной химической энергии топлив в элекртоэнергию и тепло. Сюда относятся повышение КПД электростанции и двигателей, преобразующих химическую энергию топлив в механическую; переход на более дешевые сорта топлива; увеличение доли атомных электростанций; использование возобновляемых источников энергии: ветра, геотермальной энергии, солнца, приливов и отливов. Второй путь, приобретающий все больше значение, связан с повышением эффективности использования энергии потребителями: в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Сюда относятся рациональное использование энергии, исключение потерь при ее передачи от производителя к потребителю.

Другой важней задачей сейчас является охрана окружающей среды, среды жизни и деятельности человека. С каждым годом растет потребность в топливных ресурсах. Запасы ранее разведанных месторождений истощаются. Все это вынуждает вести разведку и разработку новых месторождений, что вызывает нарушение природного ландшафта, а иногда его полное разрушение, т.к. разработку ведут в тундре, тайге, пустыне и на морских шельфах. Отдаленность новых месторождений и труднодоступность энергетических ресурсов значительно увеличивает их стоимость. Задержка в разрешении вышеупомянутых проблем в ближайшем будущем может привести к непоправимым последствиям. Все это заставляет человечество идти по пути экономии энергоресурсов и их рационального использования.

В своей повседневной деятельности человек стремится жить и работать комфортных условиях. Одной из составных частей комфорта является удовлетворение потребности в тепле и горячей воде. Для этого создаются системы теплоснабжения.

На сегодня в нашей стране в крупных и средних городах широко распространены централизованные системы теплоснабжения, в которых тепло к потребителю передается посредством промежуточного теплоносителя. Схема такой системы представлена на рис. 1.а. Одна тепловая станция обеспечивает теплом большое количество квартир или домов.



    • сельской местности, где почти у каждой семьи свой дом, теплоснабжение индивидуальное или от общих источников тепловой энергии: электричество, газ, уголь и т. д. Последнее означает, что преобразователи первичной химической энергии топлива в тепловую энергию установлены в каждом доме, и промежуточный теплоноситель необязателен.

Предварительный анализ централизованного теплоснабжения позволяет выявить некоторые его недостатки и преимущества. Большая и разветвленная сеть трубопроводов, по которым теплоноситель подводит тепло от тепловых станций до потребителя, требует большого количества труб, теплоизоляции, насосов и т. д. При прокладке теплотрасс расходуются значительные ресурсы и материальные средства. Значительная их протяженность ведет к заметным тепловым потерям. Выход из строя тепловой станции или других объектов оставит без воды и тепла целый район. Обслуживание централизованной системы очень дорого и требует специальной службы. К преимуществам таких систем относятся большой общий КПД тепловых станций, около 70%.



Рисунок 1. Схемы централизованного и индивидуального теплоснабжения

а) централизованная; б) индивидуальная;

Система индивидуального теплоснабжения также имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся малая протяженность трубопроводов, если они имеются. Отсюда малые тепловые потери и затраты на эксплуатацию. Имеется щирокая возможность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии: биогаз, солнечная энергия и т. д. Недостатки данной схемы заключаются в том, что КПД преобразователя первичной энергии в тепловую, в большинстве случаев намного ниже, чем в централизованной схеме, но при использовании дешевых видов топлива этот недостаток легко устраним.

Сравнивая две наиболее распространенных схемы теплоснабжения, можно сделать вывод о том, что индивидуальное теплоснабжение уступает централизованному только по КПД преобразователя первичной энергии в тепловую. Эту проблему можно решить либо подняв КПД преобразователя, либо значительно уменьшив стоимость первичной энергии. К последнему решению можно отнести переход на использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии: биогаз, дрова, ветер, солнечная радиация, геотермальная энергия и прочее.

Нужно отметить, что в городах из-за целого ряда причин (нехватка свободных территорий и их высокая стоимость, высокая плотность населения, отсутствие местных источников энергии) переход на нетрадиционные источники энергии затруднён. В сельской местности он может быть осуществлен полностью.

За последние годы в ряде стран всё больше внимания уделяется использованию солнечной энергии, в первую очередь для горячего водоснабжения и отопления зданий. К настоящему времени накоплен достаточный опыт по разработке и эксплуатации таких систем, в которых солнечная энергия используется в течение значительной части года.

Современный опыт эксплуатации таких систем свидетельствует о том, что подобные установки экономически оправдывают себя в благоприятных климатических районах благодаря простоте, экологической чистоте и экономичности. Все они основаны на солнечном подогреве воды или другого теплоносителя, который затем отдает запасенное тепло потребителю.



Основными элементами наиболее распространенного солнечного водонагревателя являются плоский солнечный коллектор, бак-аккумулятор и регулирующие устройства. Они соединены в систему обеспечения потребности в горячей воде, которая, для условий умеренного климата, содержит также дополнительный источник энергии и устройства для обеспечения циркуляции воды и регулирования системы. Схема установки с естественной циркуляцией теплоносителя (воды) показана на рисунке 2.а. В этой системе бак-аккумулятор расположен над коллектором, и вода будет циркулировать в результате естественной конвекции. За счет энергии солнечной радиации, поглощаемой в коллекторе, увеличивается температура воды на выходе из коллектора, создавая, таким образом, градиент плотности.

Рис. 2. Схема солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией теплоносителя;


Солнечный коллектор является основным элементом установки, в котором радиационная энергия преобразуется в тепловую энергию проходящего через него теплоносителя. В бак-аккумулятор тепловая энергия вводится и выводится путем переноса самой аккумулирующей среды (теплоносителя). Дополнительный источник энергии предназначен для поддержания определенного минимального уровня температуры теплоносителя.

Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом любой солнечной ТУ. Перенос энергии к теплоносителю в коллекторе осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Основными элементами типичного солнечного коллектора, рис. 3.а, являются «черная» поверхность, поглощающая солнечную радиацию и передающая её энергию теплоносителю; прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью и уменьшающие конвективные и радиационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной поверхности коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.

Режим работы солнечного коллектора описывается уравнением энергетического баланса, в котором энергия солнечной радиации разделена на полезную энергию и потери. Энергетический баланс коллектора в целом можно представить в виде:

АсHR (ɩα) = Qu + Q1, (1.1)


где Ас - площадь солнечного коллектора, м2; HR - плотность солнечной энергии, падающей под прямым углом к поверхности коллектора, Вт/м2; ɩα - коэффициент, учитывающий потери энергии вследствие отражения её от покрытий и поглощающей поверхности; Qu - тепло, переданное теплоносителю, Вт; Q1 - тепловые потери коллектора в окружающую среду путем излучения и конвекции, а также путем теплопроводности по опорам поглощающей пластины, Вт.

Мерой совершенства коллектора является его КПД, определяемый как отношение количества полезного тепла, полученного за некоторый период времени, к количеству энергии солнечного излучения, падающего на коллектор в течение того же периода времени, т. е.


ɳC(ɩ) = (1.2)
где ɩ - период времени, с; t - текущее время, с.


Рис. 3. Солнечный коллектор:

а) поперечный разрез;

б) вид сверху.


Нужно отметить, что эффективность солнечной ТУ определяется главным образом КПД коллектора. Поэтому выясним влияние вынужденной циркуляции теплоносителя на КПД коллектора.

Рассмотрим градиенты температуры, типичные для солнечного коллектора, показанного на рисунке 3.б, где трубы, по которым протекает тепло­ носитель, припаяны к поглощающей поверхности высокотеплопроводным припоем.



На рис. 1.4 изображено сечение температурного поля коллектора между двумя трубами в плоскости, перпендикулярной течению теплоносителя,