">
Прикладные науки Технология
Информация о работе

Тема: Теоретические основы нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Описание: Расчет приходящего солнечного излучения. Суточная интенсивность солнечного излучения. Рассчитать и построить график помесячного прихода С.И. Построение соответствующих графиков. Коэффициенты замещения электрической и тепловой энергии солнечным излучением.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Технология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 27.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 15
Поднять уникальность

Похожие работы:

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Удмуртский государственный университет»

Физико-энергетический факультет

Кафедра теплоэнергетики

Специальность 100900 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Курсовая работа по дисциплине

«Теоретические основы нетрадиционных и возобновляемых источников энергии»

Раздел1. Солнечная энергетика.

Работу выполнил:

Студент 100-900-31 группы

Огородников И. С.

Проверил:

Зав.кафедры Бартенев О. А.

Ижевск, 2011г.

Введение

В задачи расчетов курсовой работы входит определение (расчет) валовых и технических потенциалов солнечной энергетики в результате прямого преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию, используемую потребителем.

В данном расчете применяется методика Ангстрема при расчетах прямого солнечного излучения на горизонтальную площадку и подход Джордана-Клейна для наклонной площадки, в котором более точно учитываются диффузионная и отражающая составляющие.

Состав задания.

Рассчитать и построить для характерных дней месяцев суточные графики (свести на один график) интенсивности R приходящего солнечного излучения (С.И.). Определить среднюю за сутки интенсивность С.И. Определить теоретические значения продолжительности солнечного сияния. Сравнить с фактическими значениями для данной точки на заданной территории. Построить график средних значений R для характерных дней месяцев в году.

Рассчитать и построить график помесячного прихода С.И. и оценить годовой приход Э на горизонтальную и наклонную площадки с использованием коэффициента пересчёта и расчётов по пункту 1.

Привести в таблицах все расчётные величины для характерных дней месяца.

Рассчитать и построить график помесячного прихода С.И. и оценить годовой приход (валовый потенциал) Э на наклонную площадку по методу Джордана – Клейна.

Привести в таблице все расчётные величины для характерных дней месяца.

Провести анализ результатов по приходу С.И. на заданной территории полученных по указанным двум подходам.

Рассчитать технические потенциалы по выработке электрической и тепловой энергии на базе солнечного излучения, используя данные преобразования С.И. (см. таб. 1).

Построить соответствующие графики Э и Э для суток, месяца, года.

Определить коэффициенты замещения электрической и тепловой энергии солнечным излучением.

Определить число СФЭМ и площадь солнечных коллекторов (число СК), необходимых для покрытия нагрузки заданных потребителей.

Исходные данные. Рассчитываем для города Пенза, используя следующие данные:

Координаты: ?=53° с. ш. ?=45° в. д.

?сэ ? ?u ?пер (??)n,

отн. ед. U•, Вт/м2 Ткол,°С Тср,°С Рэл, кВт Ртепл ,кВт  0,20 0,85 0,95 0,97 0,85 4,5 55 20 3 5  

Расчет приходящего солнечного излучения R (С.И.) для характерных дней месяцев.

Для абсолютно ясного (безоблачного) неба интенсивность солнечного излучения  на горизонтальную площадку в течение суток может быть рассчитано по следующей формуле, учитывающая максимальный приход солнечного излучения в заданные время и сутки, а также продолжительность светового дня:



где - продолжительность светового дня:



- значение  в ni - сутки в местный полдень:



 – максимум прихода солнечного излучения в течение года (обычно соответствует полудню 21 июня каждого года). При ограниченном составе исходной информации  можно рассчитать по следующей формуле, где  - среднеинтервальная мощность прямого солнечного излучения:



где AMm- атмосферная масса:



Косинус угла падения солнечного излучения :



- склонение солнца.

Расчетные значения  для каждого характерного дня определяются по формуле Купера (:



По формуле (6) значение  для 21 июня (ni= 172) будет составлять:



Определим часовой угол захода солнца:



При  

Используя формулу (5) и (4) найдем косинус угла падения солнечного излучения и атмосферную массу для 21 июня:





по формуле (3) найдем максимум прихода солнечного излучения 21 июня:



C помощью формул (1), (2), (3) и данных Таблица 1 вычислим суточную интенсивность солнечного излучения . Все полученные значения заносим в Таблица 2.

Таблица 1.

Численные значения  для характерных дней месяцев 17.01 16.02 16.03 15.04 15.05 12.06 17.07 16.08 15.09 15.10 14.11 11.12  ?i -20,92 -12,45 -2,42 9,41 18,79 23,09 21,18 13,45 2,72 -9,6 -18,91 -23,05  ni 17 47 75 105 135 163 198 228 258 288 318 345  

Декретный полдень:



Время отсчета солнцестояния можно найти по следующей формуле:



Таблица 2.

Суточная интенсивность солнечного излучения  час 17.янв 16.фев 16.мар 15.апр 15.май 12.июн 17.июл 16.авг 15.сен 15.окт 14.ноя 11.дек  4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0  5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 156,2 157,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0  6 0,0 0,0 0,0 0,0 158,7 306,9 308,8 159,4 0,0 0,0 0,0 0,0  7 0,0 0,0 0,0 158,2 311,1 446,7 448,6 311,3 152,9 0,0 0,0 0,0  8 0,0 0,0 146,4 308,1 450,9 570,6 571,7 448,6 296,2 133,4 0,0 0,0  9 0,0 127,0 282,0 441,9 572,5 674,2 673,3 564,9 420,8 254,4 109,6 0,0  10 103,3 240,9 396,9 552,5 671,0 754,0 749,6 654,8 518,9 351,6 203,9 95,9  11 190,4 329,7 482,7 634,2 742,5 806,9 797,9 714,0 584,3 416,1 269,7 174,6  12 247,7 384,2 533,1 682,7 784,0 831,3 816,2 739,8 612,9 441,8 297,7 221,9  13 266,0 398,7 544,3 695,5 794,0 826,1 804,0 730,9 602,8 426,4 284,1 229,5  14 242,7 371,8 515,6 671,8 771,9 791,6 761,6 687,9 554,7 371,1 230,7 195,8  15 181,3 306,3 449,0 613,0 718,7 729,0 690,7 612,6 471,7 281,3 145,1 127,0  16 91,5 208,9 349,5 522,1 636,6 640,5 593,8 508,6 358,9 165,3 39,2 35,5  17 0,0 89,7 224,3 403,9 528,7 529,3 474,7 380,8 223,5 33,8 0,0 0,0  18 0,0 0,0 82,7 264,5 399,6 399,3 337,8 235,2 74,0 0,0 0,0 0,0  19 0,0 0,0 0,0 111,2 254,3 255,1 188,3 78,6 0,0 0,0 0,0 0,0  20 0,0 0,0 0,0 0,0 98,8 101,9 31,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0  21 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0  ?i -20,92 -12,45 -2,42 9,41 18,79 23,09 21,18 13,45 2,72 -9,6 -18,91 -23,05  Тсс 7,88 9,7 11,56 13,7 15,62 16,65 16,2 14,49 12,48 10,25 8,35 7,36  Тфсс 1,17 2,53 4,40 6,30 8,37 10,23 9,83 8,07 5,00 2,43 1,53 0,80  ni 17 47 75 105 135 163 198 228 258 288 318 345  tc 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13  t 9,06 8,2 7,2 7,2 6,2 5,7 5,9 6,8 7,8 7,9 8,8 9,3  Rmax 266,12 399,20 545,31 695,90 794,56 832,83 816,40 740,84 613,99 442,16 298,34 231,62  Rсутср 189,0 273,0 364,2 466,1 526,2 551,2 525,4 487,7 406,0 287,5 197,5 154,3  a 0,38 0,35 0,32 0,29 0,28 0,27 0,27 0,26 0,25 0,25 0,29 0,34  b 0,62 0,65 0,68 0,71 0,72 0,73 0,73 0,74 0,75 0,75 0,71 0,66  Примечание: значения a, b и Тфсс взяты из источника [1].

График 1. 

График 2.

 Рассчитать и построить график помесячного прихода С.И. и оценить годовой приход Э на горизонтальную и наклонную площадки с использованием коэффициента пересчёта.

Для нахождения месячного прихода солнечного излучения на горизонтальную площадку воспользуемся формулой Ангстрема:



где  и  коэффициенты характеризующие долю пропущенной и задержанной облаками солнечной радиации;

-среднемноголетнее значение прихода солнечной радиации на горизонтальную площадку за интервал времени ?t равный одним суткам или одному месяцу;

- приход солнечной радиации за интервал времени ?t равный одним суткам или одному месяцу, на горизонтальную площадку на поверхности Земли при абсолютно прозрачном и ясном небе, когда  кВт?ч/м2 и расчитывается по формуле:



где - максимальная мощность прямого С.И. каждого месяца;

- количество суток в каждом месяце.

Определяем значение фактического валового потенциала солнечной энергетики для наклонной площадки по формуле:



 берем для каждого месяца из Таблицы 3,

коэффициент пересчета, который находится по формуле С.А.Клейна[1]:



где часовые углы захода (восхода) Солнца на наклонной и горизонтальной приемных площадках соответственно, определяемые по формулам:





?- угол наклона приемной площадки, принимаем равный широте местности:



Cчитаем коэффициент пересчета (10), результаты заносим в Таблицу 3.

С помошью формул (9-14) и значений , , ,  (Таблица 2) расчитаем приход С.И. для гоизонтальной (Эгф) и наклонной (Э?ф) площадок за месяц и занесем в Таблицу 3.

Таблица 3.

Приход С.И. за месяц на горизонтальную и наклонную площадки.Пар-ры Месяц Год   Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.   ni 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31   Эгя, 41,4 69,0 124,4 182,1 244,9 264,8 261,0 211,9 146,3 89,4 47,6 33,6 1716,5  Кпр 4,3 2,7 1,8 1,2 0,9 0,8 0,9 1,1 1,5 2,4 3,8 4,9   wгз 59,5 73,0 86,8 102,7 116,8 124,5 120,9 108,5 93,6 77,0 63,0 55,6   w?з 59,5 73,0 86,8 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 77,0 63,0 55,6   Эгф, 19,5 35,9 72,0 112,3 163,0 190,3 186,1 142,4 80,6 38,3 20,0 13,9 1074,2  Э?ф, 83,5 97,8 130,8 136,2 149,4 154,0 159,2 152,7 121,6 92,2 75,7 68,5 1421,4  R??, Вт/м2 112,2 145,5 175,8 189,1 200,8 213,9 213,9 205,2 168,9 123,9 105,1 92,1   

График 3.



Рассчитать и построить график помесячного прихода С.И. и оценить годовой приход (валовый потенциал) Э на наклонную площадку по методу Джордана – Клейна.

В основе метода Джордана-Клейна для расчета прихода С.И. на наклонную площадку входит нахождение эмпирического коэффициэнта Клейна зависящего от многих факторов:



В уравнении (13) коэффициент можно вычислить по формуле:



где



-коэффициент прозрачности атмосферы, определяемы для среднестуочного или среднемесячного интервала времени по формуле:



где значения  необходимо взять из Таблицы 3;

значения  можно найти по следующей формуле:



солнечная постоянная;

-альбедо отражающей поверхности, на которой находится приемная площадка;

Таблица 4.

Изменение альбедо в течение года для г.Пензы t, мес 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12  ?, о.е. 0,69 0,71 0,57 0,3 0,25 0,21 0,2 0,23 0,23 0,28 0,38 0,62  

С помощью формул (16-19) и значений , взятых из Таблица 4, расчитаем коэффициент . Значения  возьмем из Таблица 3. Используя формулу (15) вычислим приход С.И. на наклонную площадку. Все полученные значеия занесем в Таблица 5.

Таблица 5.

Приход С.И. на наклонную площадку за месяц с учетом коэффициента Клейна.Пар-ры Месяц Год   Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.   K0 0,31 0,35 0,39 0,43 0,47 0,52 0,51 0,47 0,38 0,29 0,28 0,27   Э0, 62,6 102,9 182,7 261,8 343,6 366,0 362,7 301,7 213,1 132,8 71,7 51,0 2453,0  Kгд 0,58 0,53 0,47 0,43 0,39 0,35 0,36 0,39 0,49 0,61 0,63 0,64   Kпр 4,28 2,73 1,82 1,21 0,92 0,81 0,86 1,07 1,51 2,41 3,78 4,95   K?? 2,41 1,86 1,45 1,09 0,92 0,85 0,88 1,01 1,21 1,48 1,98 2,41   Эгф, 19,5 35,9 72,0 112,3 163,0 190,3 186,1 142,4 80,6 38,3 20,0 13,9 1074,2  Э??, 47,0 66,5 104,5 122,8 150,1 161,4 163,0 144,0 97,3 56,5 39,7 33,4 1186,5  

График 4.



Провести анализ результатов по приходу С.И. на заданной территории полученных по указанным двум подходам.

Графики прихода С.И. на наклонную площадку, найденного по 2-м подходам, изображены на График 5.

График 5.



пар-ры Месяц Год   Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.    47,0 66,5 104,5 122,8 150,1 161,4 163,0 144,0 97,3 56,5 39,7 33,4 1186,5   83,5 97,8 130,8 136,2 149,4 154,0 159,2 152,7 121,6 92,2 75,7 68,5 1421,4  

Оба метода отражают одинаковую зависимость. Однако метод Джордана- Клейна в отличие от коэффициента пересчета учитывает диффузионную, отраженную составляющие. В России доля диффузной составляющей солнечной радиации составляет значительную часть особенно в зимний и осенний периоды, поэтому значения по методу Клейна в эти периоды меньше, чем значения полученные по методу Ангстрема. К недостаткам метода Ангстрема относят неопределенность расчета  из-за сложности учета изменений атмосферы в понятии «ясного дня» и неопределенность расчета фактического солнечного сияния , которая зависит от способов измерения, характеристики местности и др.

Рассчитать технические потенциалы по выработке электрической и тепловой энергии на базе солнечного излучения, используя данные преобразования С.И. Построить соответствующие графики Э и Э для суток, месяца, года. Определить коэффициенты замещения электрической и тепловой энергии солнечным излучением.

Технический потенциал за заданный интервал времени (сутки, месяц, год) по выработке электрической энергии с заданным количеством m солнечных модулей определяется по формуле:



где величина валового удельного прихода солнечной радиации на рассматриваемую приемную площадку;

площадь солнечного модуля; в расчете принимаем ,  т.к. рассчитываются удельные значения потенциала, приходящиеся на  поверхности элементов СФЭУ;

количество солнечных модулей;

коэффициент светопропускания защитного покрытия солнечного модуля;

коэффициент полезного действия солнечных элементов; расчет ведется для плоских модулей солнечных батарей с прямоугольными элементами из монокристаллического кремния;

суммарный КПД преобразования и передачи энергии СФЭУ к потребителю, который определяется по формуле:



определяет собой потери мощности при последовательном соединении солнечных модулей;

определяет собой потери энергии солнечного модуля при передаче ее потребителю (потери в инверторе, зарядном устройстве, кабеле и т.д.);

 коэффициент заполнения солнечными элементами всей поверхности модулей СФЭУ;

Для расчета технического потенциала на базе С.И., приходящего на наклонную приемную площадку, перепишем формулу (20)с учетом формулы (21)



Техническая мощность солнечной энергетики на данной территории в заданный интервал усреднения (сутки, месяц, год) определяется по формуле:



где продолжительность интервала усреднения.

Расчет  для суток, месяцев и года показан в Таблица 6. Соответствующие графики показаны на График 6.

Технический потенциал по выработке тепловой энергии определяется по формуле:



где -продолжительность светового дня;

полезная теплопроизводительность солнечного коллектора, которая может быть найдена по формуле:



где интенсивность С.И., поступающего на солнечный коллектор;

эффективная приведенная поглощающая способность для системы из прозрачных покрытий, состоящая из n одинаковых слоев;

пропускная способность светопропускающей панели;

поглощающая способность абсорбера;

коэффициент тепловых потерь в солнечном коллекторе;

средняя температура теплоносителя в солнечном коллекторе и окружающей среды.

Расчет  для суток, месяцев и года показан в Таблица 6. Соответствующие графики приведены на График 7.

Таблица 6.

Значения для суток, месяцев и года.Параметры Месяц Год   Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.   ni, о.е. 17 47 75 105 135 163 198 228 258 288 318 345   t, ч. 744 672 744 720 744 720 744 744 720 744 720 744   дни 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31    47 67 105 123 150 161 163 144 97 57 40 33 1187   1,5 2,4 3,4 4,1 4,8 5,4 5,3 4,6 3,2 1,8 1,3 1,1    7,3 10,3 16,2 19,0 23,3 25,0 25,3 22,3 15,1 8,8 6,2 5,2 184   0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,8 0,8 0,7 0,5 0,3 0,2 0,2    0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,02 0,01 0,01 0,01    69 182 306 434 518 550 536 472 364 218 96 39 3786   0,5 1,8 3,5 5,9 8,1 9,2 8,7 6,8 4,5 2,2 0,8 0,3    17 49 110 178 251 275 269 212 136 69 24 9 1600   0,20   0,95   0,97   0,85   0,99   0,85   4,5   55   20  

График 6.



График 7.



Подведем итог использовании валового потенциала при преобразовании С.И. солнечным модулем:



?=15,51%, валового потенциала С.И. используется данным модулем при приведении всех расчетов на  этого модуля.

Суммарный технический потенциал по выработке тепловой и электрической энергии за год определяется по формуле:



Согласно данным Таблица 6 , имеем:



Определить число СФЭМ и площадь солнечных коллекторов (число СК), необходимых для покрытия нагрузки заданных потребителей.

Необходимое количество солнечных модулей можно определить по следующей формуле:



где - мощность СФЭМ на 1 м2 (Вт/м2);



где - суммарная кпд СФЭМ с учетом всех потерь;



где -коэффициент светопропускания защитного покрытия(?=0,85);

-номинальное кпд для солнечного модуля();

-коэффициент потерь энергии при передаче(;

- коэффициент потерь энергии при последовательном соединении();

-коэффициент заполнения СФЭМ();

По формуле (28) и с учетом всех коэффициентов кпд СФЭМ равна:



Используя формулы (27) и (26) расчитаем количество СФЭМ с учетом прихода солнечного излучения для каждого месяца и занесем в Таблицу 7:

Таблица 7.

Расчетные значения мощности и количества СФЭМ Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.  R??,Вт/м2 112,2 145,5 175,8 189,1 200,8 213,9 213,9 205,2 168,9 123,9 105,1 92,1  , Вт/м2 16 21 25 27 29 31 31 29 24 18 15 13  m 187 144 119 111 104 98 98 102 124 169 199 228  

Площадь солнечных коллекторов рассчитывается по следующей формуле:



где s-площадь одного коллектора(s=2 м2);

n-количество коллекторов;



где - полезная энергия, отводимая из коллектора;



где среднесуточная мощность потока суммарной солнечной радиации, поступающая на солнечный коллектор (Таблица 2),(Вт/м2);

-коэффициент светопропускания защитного покрытия(? =0,85);

– полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2*К) );

-средняя температура теплоносителя в СК и окружающей среды, 



Используя формулы (29-31) рассчитаем количество СК и их площадь для каждого месяца(Таблица 8):

Таблица 8. Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек.  R??,Вт/м2 112,2 145,5 175,8 189,1 200,8 213,9 213,9 205,2 168,9 123,9 105,1 92,1  Nполезск, Вт/м2 0,0 0,0 0,0 3,3 13,2 24,3 24,3 16,9 0,0 0,0 0,0 0,0  n 0 0 0 1533 378 206 205 295 0 0 0 0  S, м2 0 0 0 3066 756 411 411 591 0 0 0 0  

В некоторые месяцы приход С.И. недостаточен для получения тепловой энергии из за низких температур, поэтому использование СК невозможно, что показано в Таблице 8.

Список литературы.

1)Солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов/ В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин; под ред. В.И. Виссарионова. – М.: Издательство МЭИ, 2008.

2)Лабораторно- практическая работа по курсу «Нетрадиционные источники энергии». Солнечная энергетика: методы расчета основных категорий потенциала солнечной энергетики/ Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, О.Г.Лушников, Н.К. Малинин – М.: Издательство МЭИ, 1997.