Контрольная работа по "Экологии". 154

Министерство образования  Республики Беларусь 
Белорусский национальный технический университет 
Кафедра "Экономика и организация машиностроительного производства"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Основы энергосбережения»

 

 

 

Вариант 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 303219                    _____________ Истомина Д.Н. 
 
 
Проверил: преподаватель                             _____________  Янцевич И.В.

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Содержание

 

 

1 Гелиоэнергетика 3

2 Потенциальные возможности гелиоэнергетики 3

3 Гелиосистемы 6

4 Гелиоэнергетика в Беларуси 9

Список использованных источников 13

 

 

1. Гелиоэнергетика

 

В настоящее  время человечество активно внедряет новые экологически чистые источники энергии. Первый бурный переход на новые источники энергии состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно - конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. В настоящее время человечество вновь переживает очередной этап перехода на новые источники энергии, который начался в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2020 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. В течение этого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как гелиоэнергетика и тепловые насосы.

Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. Гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики

 

Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность  потока солнечной радиации вне атмосферы  Земли равна 1,4 кВт/м², а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м².

Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая  нашей планетой, составляет 1,7×1014 кВт. Мощность солнечной радиации колоссальная, примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые могут составить 3×1011 кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 1018кВт/ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Распределение солнечной радиации на Земле представлено на рисунке 1.

 

 

 

Рисунок 1 - Распределение солнечной  радиации

 

 

Из общего количества поступающей  на Землю солнечной радиации

• около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения,

• 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения,
• другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе,
• около 0,2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны.
• и только 0,02% солнечной радиации захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете.

Однако следует  учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через  единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения  угла солнца над горизонтом). Зимой  в умеренных широтах значение потока солнечной радиации в два  раза меньше. На рисунке 2 показана Карта солнечного излучения планеты Земля.

 

Рисунок 2 - Карта солнечного излучения планеты Земля

 

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

1. Солнечная энергия доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому солнечная энергетика привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.
2. Солнечная радиация — это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.
3. Солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

 

Но существует также ряд существенных недостатков  использования солнечной энергетики:

 

1. Зависимость от погоды и времени суток.
2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
3. Высокая стоимость конструкции.
4. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
5. Нагрев атмосферы над электростанцией.

 

 

Основными направлениями использования солнечной  энергии считаются:

1. превращение солнечной радиации в электрическую энергию:

• получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

• преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин (паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга и т.д.);
• гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);
• термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
• солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием), запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

2. получение тепла путем прямой абсорбции солнечного излучения (с помощью гелиосистем).

3. Гелиосистемы

 

Гелиоустановка - устройство, улавливающее солнечную энергию и преобразующее ее в другие, удобные для практического использования виды энергии.

Получение тепла путем прямой абсорбции  солнечного излучения представляет наиболее простой по технической  реализации способ использования солнечной  энергии. Тепло, получаемое в результате прямой абсорбции солнечной радиации, используется для нагрева воды солнечными коллекторами, обогрева помещений, сушки  материалов и продуктов сельскохозяйственного  производства. Большой практический интерес к обогреву помещений  и получению горячей воды с  помощью гелиосистем обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40% производимой энергии  потребляется на так называемые низкотемпературные нагревы (<100°С).

Различают пассивное и активное использование  солнечной энергии. Пассивное —  возведение зданий, имеющих такие  конструктивно-планировочные решения, при которых солнечная энергия воспринимается и аккумулируется самими строительными конструкциями (степами, полами, перекрытием здания).

Активное  предусматривает наличие систем, в которых солнечная энергия нагревает теплоноситель, направляемый далее для обогрева помещений или горячего водоснабжения.

При пассивном  использовании солнечной энергии  наряду с комплексом конструктивно-планировочных   решений используют простейшую гелиоустановку, получившую название солнечной стены (пассивная система солнечного отопления).

В системах активного использования солнечной энергии применяют низкотемпературные (без концентрации солнечной энергии) и высокотемпературные гелиоустановки с различными гелиоконцентраторами.

 

Низкотемпературные  гелиоустановки — застекленные наклонные  поверхности называют плоскими солнечными коллекторами. Полученная в них теплота  переносится теплоносителем (жидкостью  или воздухом) в зону непосредственного использования или аккумулирования. Основная функция солнечного коллектора - передача лучистой энергии Солнца теплоносителю. Такие коллекторы используют в системах теплоснабжения, отопления и опреснения.

В зависимости  от вида теплоносителя применяют  жидкостные или воздушные коллекторы. Наиболее распространена конструкция  типа "горячий ящик", основным элементом которой является теплоприемник. Удвоение размеров коллектора не всегда приводит к двукратному увеличению количества полезно поглощенной теплоты. Количество энергии, полученное поверхностью, будет наибольшим, если она обращена строго на юг. Практически коллекторы устанавливают с отклонением 15—20° от оптимальной ориентации, и это незначительно уменьшает его производительность. Для круглогодичного коллектора угол облученности, равный широте местности, является оптимальным. При использовании коллектора преимущественно летом максимальная плотность радиации будет при угле наклона, равном широте местности, минус 15°, а зимой — при угле наклона на 15° больше широты местности.

В современных коллекторах применяют теплоприемники для жидкостных систем трех конструктивных типов:

• волнистый лист с открытой поверхностью, по которой течет жидкость;
• использующие принцип "труба в листе", в которых каналы отформованы в теле теплоприемника;
• устраиваемые наложением труб на пластину с лицевой или тыльной стороны по отношению к солнцу.

Плоские коллекторы воздушного типа, при которых в качестве теплоносителя используют воздух, применяют для теплоснабжения зданий и отопления помещений всех типов, особенно в случаях, когда не предусматривается или предусматривается в незначительной степени охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд. Воздушные системы обходятся дешевле, так как требуют меньше трубопроводов и деталей. Они свободны от сложностей жидкостных систем: проблемы возможного замерзания жидкости, необходимости учета ее расширения при нагреве в системе, включая возможность парообразования, течи системы и коррозии металлических поверхностей. Применение селективных покрытий коллектора воздушного типа при прочих равных условиях повышает эффективность его работы на 50—65% при низких рабочих температурах и на 15—35% при повышенных температурах.

"Солнечные элементы" — гибкие сворачиваемые в рулон полотнища толщиной 6 мм, состоят из двух профилированных слоев специальной пластмассы черного цвета. Между слоями образуются плоские каналы, по которым протекает вода. Такими полотнищами покрывают крыши зданий или газоны вблизи них.

Для улавливания  и аккумулирования солнечной  энергии получили распространение "солнечные водоемы", представляющие собой мелкие бассейны с темным дном. В них часть солнечного излучения поглощается водой, а часть, прошедшая сквозь воду, — темным дном. Энергия, отраженная от него, частично поглощается водой при обратном пути. В таких водоемах пода сильнее всего нагревается в нижнем слое, откуда она поднимается на поверхность, вызывая конвективные токи. Тепловые потери возрастают, так как самым теплым оказывается верхний слой воды. При использовании солевого раствора более нагретый слой жидкости находится около дна, так как в нем содержится больше соли. При глубине водоема 1 м и площади 25x25 м температура его дна достигает 93°С.

Плоский коллектор наиболее применим при  использовании солнечной энергии  для отопления, горячего водоснабжения  и охлаждения зданий. Однако при  необходимости получения более  высоких температур оптимальны высокотемпературные солнечные коллекторы. При этом в качестве концентраторов энергии солнечного излучения применяют зеркала различной формы и линзы, однако последние из-за высокой стоимости не нашли широкого применения. Модифицированный солнечный коллектор с отражающей пирамидальной оптической системой позволяет достичь концентрации, в 2—4 раза превышающей обычную плотность солнечной радиации. Удорожание стоимости такого коллектора компенсируется более высокой температурой теплоносителя без уменьшения КПД коллектора.

Концентрирующий коллектор другого типа состоит из параболических желобов, концентрирующих солнечный свет на сравнительно небольшой части поверхности теплоприемника. Одна из наиболее распространенных конструкций фокусирующей солнечной панели состоит из отдельных стеклянных трубок длиной около 1 м и диаметром 7 см. В нее вложены две трубки, в которых циркулирует жидкость. Солнечная энергия отражается внутренней зеркальной стороной большой трубы и концентрируется в двух черных трубах. При увеличении плотности солнечной радиации не только повышается КПД, но и уменьшается площадь поверхности теплоприемника, что особенно важно в случае, когда он выполнен из дорогостоящих фотоэлементов, предназначенных для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Применение  в качестве концентратора энергии  солнечного излучения параболоида  позволяет получить температуру 250—650°С при КПД 60—75%. Параболоцилиндр создает среднюю степень концентрации солнечного излучения с диапазоном рабочих температур 150—400°С и КПД 50—70%. Простейший концентратор в виде плоской пластины позволяет получить температуру 60—140°С при КПД 30— 50%. Преимущества концентрирующих устройств не только в возможности получения более высокой температуры, но и в сборе теплоты с меньшими тепло потерями.

Недостаток  таких устройств в том, что  в них используется только прямая солнечная радиация без диффузной  составляющей. Температуру 200—500 С можно получить даже при слабой концентрации солнечной радиации, а фокусирующие коллекторы с высокой ее концентрацией позволяют получить температуру до 5000°С. Концентрирующие коллекторы должны находиться под постоянным контролем, т.к. они очень чувствительны к различным загрязнениям, что снижает их оптические качества.

4. Гелиоэнергетика в Беларуси

 

В условиях нашей страны 80% энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразно.

В Республике Беларусь возможны 3 варианта использования солнечной энергии:

• пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов «солнечной архитектуры». Расчёты показывают, что количества энергии, падающее на южную сторону крыши домов площадью 100 кв. м. на широте Минска, вполне хватает даже на отопление зимой. Размеры дешёвого гравийного теплового аккумулятора под домом вполне приемлемы. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа – немецкий Международный Образовательный Центр;
• использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;
• использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

Если  проектирование зданий проводить с  учётом энергетического потенциала климата местности и условий  для саморегулирования теплового  режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить  на 20-60%. Так, строительство на принципах  «солнечной архитектуры» может снизить  годовое теплопотребление до 70-80 кВт/кв. м.

В настоящее  время финансируется создание отечественной  установки на фотоэлементах. Одна солнечная  электростанция установлена в Беловежской  пуще и отапливает два дома, ещё  несколько установлены в чернобыльской  зоне. Солнечные коллекторы рекомендуется  устанавливать в коттеджах, загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании  солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и тепло накопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.

В Республике Беларусь организовано производство гелиосистем  для нагрева воды. Они представляют собой лёгкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. В  зависимости от конкретных условий  можно получить установку любой  производительности. Основой гелиосистем  является плёночно-трубочный адсорбирующий  коллектор. Теплообменники, входящие в  состав систем, изготавливаются из специальных материалов, исключающих  коррозию при замерзании. Гелиоустановки могут подсоединяться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости.

В Беларуси за 5 лет планируется  внедрить 172 гелиоводонагревателя и  гелиоустановки. Это предусмотрено  Национальной программой развития местных  и возобновляемых энергоисточников на 2011-2015 годы.

В 2010 году в Солигорском районе введена в эксплуатацию отечественная  гелиоводонагревательная установка  тепловой мощностью 160 кВт. Аналогичную  установку планируется внедрить в пансионате ”Озерный“ Национального  банка.

Ожидаемый ежегодный объем внедрения гелиоводонагревателей в республике при строительстве индивидуальных жилых домов в сельской местности, в том числе в агрогородках, составит около 1000 единиц.

Также в департаменте по энергоэффективности  сообщили, что в республике работает 41 гидроэлектростанция суммарной  мощностью 16,1 МВт, что составляет около 3% от технически доступного потенциала. Около 60% мощности всех гидроэлектростанций  приходится на долю 22 ГЭС организаций  Министерства энергетики. Мощность самой  крупной гидроэлектростанции составляет 2,175 МВт (Осиповичская ГЭС, введена в  эксплуатацию в 1953 году).

Государственная программа строительства  в 2011-2015 годах гидроэлектростанций  в Беларуси предусматривает возведение и реконструкцию 33 ГЭС суммарной  мощностью 102,1 МВт, в том числе 20 микро-ГЭС (мощность до 100 кВт), 9 малых и мини-ГЭС (мощность от 100 кВт до 10 МВт), 4 крупных  ГЭС (мощность свыше 10 МВт).

С учетом ежегодной выработки электроэнергии на существующих гидроэлектростанциях (48,6 млн кВт/ч в 2010 году) производство электроэнергии на ГЭС республики к 2015 году будет составлять около 510 млн.кВт/ч., что позволит заместить 140 тыс.тут.

Согласно Национальной программе  развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011-2015 годы на строительство  новых и реконструкцию действующих  гидроэлектростанций планируется  направить $607,21 млн., из них $113,51 млн. - в 2011 году.

Помимо государственных программ существуют также запатентованные  научно-технические проекты гелиоустановок. Примером такой идеи является гелиоустановка, разработанная д.т.н., профессором, научный руководитель НИЛ «Пульсар» Северяниным Виталием Степановичем

Принцип работы устройства: солнечный концентратор конусного типа, вращающийся вокруг теплоприёмника, внутри которого нагревается теплоноситель (вода). Конструкция – состоит из 4-х основных частей:

• оптическая система (комплекс конусов-зеркал на специальном каркасе - гелиоконцентратор);
• система слежения за Солнцем (механизмы поворота и подъема оптической системы, электрический привод-электромагнит, управляющая электрическая схема);
• теплоприемник (сферический солнечный водонагреватель, система трубопроводов, бак аккумулятор, регуляторы и переключатели, вентили).

Гелиоустановка монтируется на металлическом основании (плита, швеллеры, подшипники, электроразводка), которое  устанавливается по согласованию с заказчиком (на крыше, во дворе, на холме).

Особенности – отличается от известных солнечных установок тем, что:

3. Теплоприемник неподвижен, оптическая система обходит его, это упрощает коммуникации по теплоносителю.
4. Движение оптической системы учитывает не только суточное, но и сезонное изменение положения Солнца.
5. Принцип реализуется при помощи простых механических копиров. Зеркальная часть гелиоконцентратора представляет собой группу узких, отделенных друг от друга концентрических конусов, что

• снижает ветровую нагрузку, т.к. поток воздуха проходит сквозь щели между конусами;

• упрощает изготовление и сборку зеркал, т.к. поверхности конусов имеют I степень кривизны; аналогичные же параболоидные поверхности существенно сложнее.

В данной установке  используются относительно дешевые  материалы и изделия (хромированный  алюминий – строительный материал – для изготовления оптических зеркальных конусов; электромагнит; основные узлы конструкции установки изготавливаются  из обычной малоуглеродистой стали).

Тепловая мощность составляет около 3…4 КВт. Она определяется общей  площадью оптических зеркальных конусов, расположенных в проекции, нормальной к солнечным лучам, и степенью их инсоляции – освещенности. Одна тонна воды нагревается за средний  солнечный день на 50…80С. Электропривод  потребляет электроэнергии примерно 0,1 КВт/час в месяц (электромагнит  включается всего на 0,5 секунды через  каждые 10 минут круглосуточно).

 

Сфера применения:

• Системы отопления и горячего водоснабжения небольших по мощности потребителей (коттеджи, сельские дома, теплицы, помещения цехов, складов, столовые, бани) как дублер топливо использующих систем.
• Системы хладоснабжения.
• Системы освещения.

 

Стоимость такой гелиоустановки $3000.

 

 

Список использованных источников

 

1. Поли ко — Тепло природы в Вашем доме » Гелиоэнергетика  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// poliko.com.ua / ,

свободный.

 

2. Альтернативная энергетика | Гелиоэнергетика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// t-generation.ru/ , свободный.

 

3. Cleandex | Информационно-аналитическое агенство [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// cleandex.ru/ , свободный.

 

4. Гелиоустановка | Банк данных [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// belarus-project.by/ , свободный.