Министерство образования Российской Федерации
Ставропольский Аграрный Государственный Университет
Контрольная работа
По дисциплине: Нетрадиционные источники энергии
Тема: Энергосбережение материального склада при помощи ветроэнергетической установки с вертикальным валом.
Выполнил: студент 4 курса заочного отделения специальность
311400 электрификация и автоматизация с/х Николаенко Сергей Сергеевич
Шифр 39353
Проверил:
Ставрополь 2004
Содержание
Введение ……………………………………………….стр.3
1. Конструктивные особенности……………………..стр.4
2. Выбор и обоснование конструкции
электроагрегата……………………………………..стр.9
3. Конструкции энергоагрегатов……………………. стр.10
4. Расчет энергопотребителя………………………… стр.16
5. Расчет ветроэнергетической установки…..……… стр.17
6. Правила эксплуатации ВЭУ………………………. стр.18
7. Оценка экономической эффективности ВЭУ……..стр.19
8. Схема энергообеспечения склада……………...….. стр.20
Литература……………………………………………… стр.22
ВВЕДЕНИЕ
Существование человека немыслимо без потребления энергии. Уровень развития промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта человека в значительной степени определяются запасами и использованием энергоресурсов. Вся история развития цивилизации – это поиск более совершенных источников питания. Кроме традиционных источников энергии топлива дров, угля, урана существуют также и не традиционные источники энергии солнца, ветра, земли.
Перед нами в данной курсовой работе поставлена задача, в помещении материального склада с помощью не традиционных источников энергии обеспечить энергоснабжение. Основными потребителями энергии в помещении материального склада являются освещение, т.е. лампы накаливания и установка для отопления.
1. Конструктивные особенности.
В здании склада будут иметься некоторые конструктивные особенности.
Рассмотрим несколько конструкций:
а) Покрытия и стены здания утеплены. Здание ориентировано на местности таким образом, чтобы одна из его продольных стен была ориентирована на юг. Верхняя часть стены южного фасада на высоту 1,8 метра выполнена вертикально, а нижняя под углом 60 градусов к отмостке здания. В нижней наклонной части южного фасада устроен солнечный коллектор, длина коллектора 22 метра, высота 2,5 метра. Светопрозрачная теплоизоляция коллектора выполнена из двух слоев стеклопластика с воздушной прослойкой 2 мм. Подогретый в коллекторе воздух поступает в каналы специального настила из пустотельных бетонных блоков.
|
|
Рис. 1. 1 - солнечный коллектор
2 – светопрозрачная теплоизоляция
3 – канал для подачи горячего воздуха
4 – теплоизоляция
5 – песок
По верху настила уложен слой песка толщиной 18 см, а снизу слой теплоизоляции служит пенопласт (рис. 1). Это позволяет аккумулировать дополнительную солнечную энергию под полом.
б) Склад имеет двухскатную крышу. Южный скат крыши покрыт прозрачным стеклопластиком. Северная часть крыши и стены утеплены пеноплеуританом. Холодный воздух поступает в чердачное помещение склада через отверстия с южной стороны здания. В чердачном помещении воздух нагревается солнечными лучами, проходящими через стеклопластик. Нагретый воздух через потолок поступает в помещение склада. Теплоизоляция выполнена из пенополиуритана толщиной 10 мм. Циркуляция воздуха осуществляется при помощи вытяжного вентилятора создающего разряжение (рис. 2). В помещении склада поддерживается температура 18,3-21,1 градус Цельсия.
|
|
Рис. 2. Конструкция с крышным коллектором.
1 – прозрачный теплопластик,
2 - вытяжной вентилятор
3 – теплоизоляция.
в) При установке плоского постепенного коллектора для помещения материального склада вдоль его южной стены выполняют площадку из пустотельных бетонных блоков. Кладку окрашивают с наружной стороны устанавливают деревянную рамку оббитую листами прозрачного стеклопластика. Ширину прослойки между поверхностью стены и стеклопластика принимают равной 10 мм. Воздух нагнетается вентилятором в чердачное помещение, поступает в солнечный коллектор, нагревается. Между фундаментом и первым рядом кладки из пустотельных блоков, устанавливают ряд из сплошных блоков, установленных с зазорами.
|
|
Рис.3 Схема с настенным коллектором.
1- нагревательный вентилятор
2- верхняя щель
3- стена покрашенная в черный цвет
4- стеклопластик
5- пустотелый блок
6- нижняя щель
Нагретый воздух, поступая в пустоту, нагревает стенку, таким образом кладка является аккумулятором, затем нагретый воздух через щель, сделанную в верхней части кладки поступает в склад (рис. 3). Удаляется воздух через отверстие в серверной стене здания.
г) Еще одно из конструкций склада в которой грунт и основание над ним служат аккумулятором теплоты. Под складом в фундаменте имеется углубление, которое заполнено каменными булыжниками. Каменная подушка в данном случае служит аккумулятором теплоты. Аккумулятор со всех сторон теплоизолирован. Солнечные коллекторы размещают с южной стороны крыши. Изолируют двойным прозрачным слоем стеклопластика. Нагретый воздух поступает днем с помощью насоса в аккумулятор, а ночью за счет того, что теплый воздух поднимается вверх, воздух циркулирует естественной циркуляцией (рис. 4).
|
|
Рис. 4. Схема с крышным коллектором и подпольным аккумулятором
1 – солнечный коллектор
2 – сверхпрозрачная изоляция
3 – насос
4 – каменная подушка.
д) Кроме солнечных коллекторов можно также использовать ветроэнергетическую установку, совмещенную с импеллерным устройством. Импелеерное устройство размещается в чердачном помещении. К нему подключается водопровод с прямой и обратной водой. По периметру склада размещены радиаторы. При входе в импеллерное устройство в обратном трубопроводе установлен насос, который осуществляет циркуляцию воды. Ветроагрегат расположен на кровле здания. (рис.5)
|
|
Рис.5. Схема ВЭУ совмещенной с импеллерным устройством
1 – ветроэнергетическая установка
2 – импеллерное устройство
3 – прямой трубопровод
4 – радиатор
5 – обратный трубопровод
6 – нагнетательный насос
2. Выбор и обоснование конструкции энергоагрегата.
Для энергоснабжения материального склада мы выбираем ветроэнергетическую установку, т.к. использование солнечных коллекторов в зимнее время неэффективно.
По заданию нам дана ветроэнергетическая установка с вертикальным валом. Такая установка дает нам возможность разместить редуктор и генератор внизу, что в значительной мере облегчает его техническое обслуживание.
Выбираем ветродвигатель карусельного типа.
3. Конструкции энергоагрегатов.
Рассмотрим некоторые конструкции энергоагрегатов.
а) Плоский солнечный коллектор
Плоские коллекторы улавливают энергию прямых и рассеянных лучей, то есть работают и в пасмурную погоду. Они состоят (рис. 6) из светопрозрачного защитного слоя, теплоприемника поглощающего солнечную энергию, труб или коробов для теплоносителя, слоя теплоизоляции и защитного короба, который может быть элементом коллектора или здания. Ультрафиолетовые солнечные лучи проходят через светопрозрачный защитный слой и достигают теплоприемника – темной абсорбирующей панели. Панель нагревается и начинает излучать новую инфракрасную радиацию. Для инфракрасных лучей защитный слой лучей не пропускает. Поэтому внутри коллектора температура повышается . Теплоту выводит из коллектора воздушный или жидкий теплоноситель. Защитный слой 1 обладает высокой проводимостью и пропускает солнечную радиацию в коллектор, а также предотвращает потери теплоты из него. Стекло для него изготавливают с низким содержанием железа
|
|
Рис. 6. Схема гелиоустановки.
1 – Двухслойное остекление
2 – трубопровод для циркуляции жидкости
3 - панель-теплоприемник
4 – слой теплоизоляции
5 – защитный короб
6 – направление солнечных лучей
8 – насос для теплоносителя
9 - теплообменник
10 – аккумулятор
11,12 – вода нагретая и холодная
или противоотражающим покрытием. В сельской местности защитный слой изготавливают из 2-х и более слоев светопрозрачной пленки. Теплоприемник
Изготавливают из листов меди или алюминия окрашенных в черный цвет. Поток теплоносителя должен проходить вдоль теплоприемника по трубам, коробам или в замкнутой поверхности солнечной панели. Роль жидкого теплоносителя обычно играет вода. В зимних условиях для этих целей лучше использовать не замерзшую жидкость: антифриз, трансформаторное масло. Жидкий теплоноситель циркулирует по трубопроводам, воздушный – или по трубопроводам или в изолированном от внешней среды пространстве между теплоприемником и светопрозрачной поверхностью.
б) Теплоаккумулирующее устройство.
Теплоаккумуляторы – важная часть теплоаккумулирующего устройства. Солнце светит ограниченное число часов в сутки и не каждый день, а тепловая энергия нужна постоянно и особенно в ночное время суток зимой. Поэтому солнечную энергию необходимо сохранить для потребителя. Этой цели служат теплоаккумуляторы (рис. 7). Теплоаккумулирующ
|
|
Рис. 7 Аккумулятор теплоты с каменевой подушкой
1,4,6 – выход соответственно холодной жидкости, направленной к солнечной панели, теплой воды, пригодной к использованию, теплого воздуха.
2,3,5 – вход соответственно холодного воздуха, нагретой в солнечной панели жидкости, холодной воды, которая проходит через змеевик в теплонакопительной камере
7 – корпус накопителя
8 – камни теплоаккумуляторы
9 – змеевик.
в) Конструкции ВЭУ
В состав ВЭУ входят: ветродвигатель, редуктор, преобразователь механической энергии, аккумулятор и потребитель. Ветродвигатель преобразует энергию ветра в механическую или электрическую.
Промышленность выпускает в основном ветроэнергетические агрегаты с крыльчатым колесом (рис.9а). Во время сильных ураганов, ветров и штормов центробежные силы могут разрушить полости, поэтому в состав ВЭУ включены специальные устройства для перевода лопастей во флюгерное положение. Их ξ достаточно высокий: 0,3….0,46. Окружная скорость двигателей не превышает скорости ветра, масса на единицу мощности небольшая. Их используют для установок с малым начальным крутящим моментом, а также чтобы обеспечить работу центробежных насосов или энергогенераторов.
У ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветроколеса, линейная скорость вращения лопастей в несколько раз больше ветра. Такие ветродвигатели подразделяют на карусельные (рис,9б) и роторные (рис. 9б). Полуцилиндры ротора устанавливают на одинаковом расстоянии от вертикальной оси. Вращение ветровых колес не зависит от направления ветра. Они медленно реагируют на изменения скорости ветра, т.е. работают стабильно.
|
|
|
|
Рис. 9. Схемы принципиальные ветровых установок.
а) АВЭУ с крыльчатым колесом
б) карусельная
в) роторная
г) барабанная
д) цепная
Ветродвигатели могут быть также барабанными (рис 9г) и цепными (рис. 9д). Лопасти цепных ветродвигателей гибкие и при вращении принимают форму цепной линии. Под воздействием центробежных и аэродинамических сил они приобретают такую форму при которой возникающие в установке усилия уравновешиваются, то есть не требуется специальных элементов. Достоинства таких ветродвигателей – способность воспринимать ветер в любых направлениях и высоким ξ =0,6; недостаток – сложность в изготовлении.
Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Частота его вращения должна в 4 раза и более превышать частоту вращения ротора ветродвигателя. достичь этого можно путем правильного выбора типа генератора либо передаточного устройства. Различают генераторы постоянного и переменного потока.
Аккумулятор предназначен для сохранения энергии в течение ограниченного безветренного периода. В ветреные дни проще всего накопить энергию в электрических аккумуляторах. Емкость аккумуляторных батарей может держаться от 3 до 6 суток. Стоимость их может доходить до половины стоимости ветродвигателя.
4. Расчет энергопотребителя.
1) На отопление.
Рассчитаем поток теплоты, необходимый на отопление:
Фот = gот* Vн (tв – tн)а
где gот – удельная относительная характеристика здания, Вт/(м³*С)
gот = 0,43 Вт/(м³*С) для склада
Vн - объем помещения по наружному обмеру, м³
tв – внутренняя температура, С, tв = +14С
tн - наружная температура зимой, tн = -18 С
а – коэффициент запаса а = 1,1
Фот = 0,43*1080(14-(-18))*1,1 = 17,1 кВт
Выбираем для отопления два тепловентилятора марки ТВ – 36, рабочая мощность 8,8 кВт, потребляемая 9,7 кВт.
2. На освещение.
Для освещения будем использовать лампы накаливания мощностью 200 Вт. Они будут размещены через каждые три метра в длину, и 2,5 м в ширину в три ряда. Для освещения используется 21 лампа. Потребляемая мощность
Nоб = n*Nл = 0,2*21 = 4,2
Для энергообеспечения склада нам необходима мощность
N потр = Nот+Nосв
N потр = 17,1 +4,2 = 21,3 кВт = 21300 Вт
5. Расчет ветроэнергетической установки.
Рассчитаем мощность ВЭУ необходимую для обеспечения энергоснабжения склада.
Она определяется по формуле:
N вет = Nпотр/ηмех*ξ
где ηмех – КПД механической передачи
η = 0,89 для редуктора с зубчатой передачей
ξ – коэффициент использования ветрового потока. Для ветроагрегатов карусельного типа ξ = 0,1…0,13 принимаем ξ = 0,14
N веет = 21300/0,89*0,14 = 170947 Вт
Так как при такой мощности ВЭУ она будет иметь очень большие размеры, что нецелесообразно, то мы установим 8 ВЭУ меньшего размера, тогда мощность одной ВЭУ
N веет = 170947/8 = 21368 Вт
Исходя из значения найденной нами мощности ВЭУ, определим площадь воздействия ветрового потока, по формуле:
F = 2N/ρΰ³
где ρ – плотность воздушного потока г/м3 по справочнику принимаем ρ = 1,193 кг/м³
ΰ – скорость ветра, принимаем ΰ = 9 м/с
F=2*21368/1,1193*9³ = 49,1 м²
Наиболее лучшей является отношение
| a/b = ¾ a = 6м b = 8,2 м F = a*b = 6*8,2 = 49,2 м² |
|
Мы устанавливаем для энергоснабжения склада 8 установок карусельного типа N = 213000Вт и площадью лопасти 49,2 м³
6. Правила эксплуатации ВЭУ.
ВЭУ должны устанавливаться на открытой местности, на специально отведенных для них площадках. Они должны постоянно находиться под присмотром специалиста, который хорошо ознакомлен с их устройством и принципом работы. Так как у нас ВЭУ с вертикальным валом, вследствие этого редактор и генератор расположены на земле и это в значительной мере облегчает техническое обслуживание ВЭУ.
Техническое обслуживание ВЭУ проводят 1-2 раза в месяц, специалист.
Техническое обслуживание включает:
1. Внешний осмотр ВЭУ
а) Осмотр лопастей и вала
б) осмотр крепления и растяжек и осмотр подшипников
2. Проверка уровня масла в редукторе
3. Проверка напряжения на зажимах генератора
7. Оценка экономической эффективности ВЭУ
При установке ВЭУ мы избавляемся от затрат на топливо.
Годовая экономия рассчитывается по формуле:
Эсу = ЗтВ-Ен*К+Ен*Кдоб*В+Вдл*Зэл
Зт – стоимость условного топлива
Зт = 2300 руб/Тут
В – годовая экономия условного топлива в кг/ч рублях
Вч = 3,6 Ф/(g* ηка)
Вч = 3,6*17100/29300*0,8=2,6 кг
Годовой расход топлива В = Вч*24*n
n – количество отопительных дней
В = 2,6*24*169 = 10345,6 кг/год +10,5 т/год
К- капитальные затраты на изготовление установки.
Себестоимость одной установки 1000 руб. Установок 8 шт., к = 8*10000 = 80000 руб.
Ен – нормативный коэффициент Ен=0,15
Кдоб – удельные налогообложения в прирост добычи топлива К доб = 104 руб/т
Вэл – годовая экономия электричества
В час = 4,2 кВт/ч
Вгод = Вчас*ng* nч
ng – количество дней в году ng = 365 дней
nч – количество часов потребления энергии в сутки nч = 10 часов
В год = 365*4,2*10 = 15330 Вт
Зэл – стоимость электроэнергии Зэл = 0,4 руб.
Эсу = 10,5*2300-0,15*80000+0,15*104*10,5+15330*0,4 = 18445,8 руб.
Срок окупаемости установки
τсу = К/Эсу
τсу = 80000/18445,8 = 4,34 год
Срок окупаемости ВЭУ 4,34 года. Т.к. срок окупаемости установки меньше 10 лет, то ВЭУ эффективно.
|
|
Описание к схеме.
Имеется здание материального склада 1, утеплено теплоизоляционным материалом 2 в качестве которого служит слой пенополиуритана толщиной 10 мм. По всей длине здания проходит воздуховод 4, в который нагнетается теплый воздух, при помощи вентилятора 6. Воздух поступает в калорифер 7, нагревается, поступает в воздуховод и распространяется по всему зданию. В складе имеются для освещения 21 лампа накаливания. Энергообеспечение склада осуществляется при помощи 8-ми ветроэнергетических установок. ВЭУ состоит из ветрового барабана 9, который размещается на валу 10, вал передает крутящий момент на редуктор 12, редуктор увеличивает частоту вращения и передает крутящий момент на вал генератора 13. Генератор начинает вырабатывать электрическую энергию, которая идет на отопление
и освещение склада.
Литература
1. Ветроэнергия в сельском хозяйстве. М.: ГосНИИТИ 1960 г.
2. Возобновляемые источники энергии на службе человека. Журнал «Человек и природа» - №5, 1986 г.
3. Б.М.Берновский Возобновляемые источники энергии на службе человека. М.: Наука 1987 г.
4. Стефанова В.Э. Возобновляемые источники энергии на сельскохозяйственных предприятиях. М,:»Агропромиздат», 1989 г.
5. Оборудование для использования нетрадиционных источников энергии «АгроНИИТЭИИТО» М.: 1996 г.
6. Разработка и внедрение оборудования для использования возобновляемых источников энергии.
7. Рекомендации по применению ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1972 г.
8. Романенко Н.Н. Основы ветроэнергетических расчетов и ветроиспользования