Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

23,5 до площини її обертання навколо Сонця, те сезонні зміни теплової

енергії, одержуваної від Сонця, залежать від змін у ці періоди швидкості й

напрямку вітру на даній ділянці земної поверхні.

Енергія, що безупинно надходить від Сонця й перетвориться в кінетичну

енергію вітрових потоків на Землі, відповідає, по оцінках, сумарній

потужності понад 10

ГВт.

Вітрові параметри, використовувані для вітроенергетики, поділяються

на три основні групи:

- перша містить у собі основні статистичні розподіли, які дозволяють

виявити особливості вітрового режиму досліджуваного регіону й дати

попередню оцінку його енергетичних ресурсів;

- друга група характеристик призначена для встановлення оптимального

співвідношення між потужністю вітрового потоку й потужністю ВЭУ. З

їхньою

допомогою більш точно можна прогнозувати реально можливий

рівень утилізації ресурсів;

- третя група призначена для характеристики вітру в той час,

коли його режим несприятливий для використання енергетичних

ресурсів. Цей режим формується при затишші і слабких вітрах, які у

вітроенергетиці називаються енергетичними штилями, а також при сильних і

дуже сильних вітрах.

Потенційні вітроресурси

Енергетичні ресурси підрозділяються на два види: потенційні й технічні.

Потенційні вітроенергоресурси - це сумарна енергія руху повітряних

мас, що переміщуються над розглянутою територією.

У природі ці ресурси надзвичайно великі. Однак на практиці

використовується лише деяка частина потенційних енергоресурсів. Ця

енергоактивна частина (що може бути утилізована) в розподілі швидкості

вітру

називається технічними вітроенергоресурсами.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

З іншого боку, технічні вітроенергоресурси - це та частина потенційних

вітроресурсів, що може бути використана за допомогою наявних у цей час

технічних засобів для цілей одержання вітрової електроенергії.

Для рішення поставлених завдань варто вибрати відповідні їм кліматичні

показники вітру. Вітер - векторна величина. У полярних координатах вектор

вітру має дві складові: модуль

вектора, або швидкість вітру, виражену в м/с, і

його напрямок по 8 або 16 румбам.

Швидкість вітру є найважливішою складовою, оцінка якої необхідна

для розрахунку потенційних вітроенергоресурсів досліджуваної території.

Більш повною кліматичною характеристикою режиму швидкості вітру є

розподіл повторюваності вітру по градаціях швидкостей.

Стійкість характеристик повторюваності залежить

не тільки від довжини ряду

, але й від числа градацій швидкості вітру.

Зазвичай використовують 6 градацій: 0-1, 2-5, 6-11, 12-15, 16-20 і >21 м/с.

Зазначені градації обрані з урахуванням точності спостережень,

забезпечуваної флюгером. Повторюваність вітру виражається числом

випадків або у відсотках, розглядається по градаціях їхньої швидкості й

окремо по кожному сезоні. Розподіл швидкості вітру є різко асиметричним.

Важливими показниками є максимальна

швидкість вітру й середній куб

швидкості вітру, що входить у формули розрахунку вітроенергоресурсів.

У міжнародній кліматичній практиці цю характеристику найчастіше

визначають непрямим способом, використовуючи закон Максвелла або,

закон Вейбулла.

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

βββ

uf exp

Закон Максвелла

f(v) = Bexp( -Av

)

Розподіл Релея

f(x) = x/b

*eхр[-(x

/2b

)]

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Вітроенергетичні установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня комерційної

зрілості й у місцях зі сприятливими швидкостями вітру можуть конкурувати

із традиційними джерелами електропостачання. Із усіляких пристроїв, що

перетворять енергію вітру в механічну роботу, у переважній більшості

випадків використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом,

установлюваним по напрямку вітру. Набагато рідше застосовуються пристрої

вертикальним валом.

Вітрове колесо, розміщене у вільному потоці повітря, теоретично

може перетворити в потужність на валу 16/27=0,59 (критерій Бетца)

потужності потоку повітря, що проходить через площу перетину, що

омітається вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати

теоретичним ККД ідеального вітрового колеса.

Розрахункова швидкість вітру для великих ВЕУ звичайно приймається

на рівні 11-15 м/с

. Взагалі, як правило, чим більше потужність агрегату, тим

на більшу швидкість вітру він розраховується. Однак у зв'язку з мінливістю

швидкості вітру більшу частину часу ВЕУ виробляє меншу потужність.

Вважається, що якщо середньорічна швидкість вітру в даному місці не менш

5-7 м/с, а еквівалентне число годин у році, при якому

виробляється

номінальна потужність не менш 2000, те таке місце сприятливо для

установки великої ВЕУ й навіть вітрової ферми. Автономні установки

кіловатного класу, призначені для енергопостачання порівняно дрібних

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

споживачів, можуть застосовуватися й у районах з меншими

середньорічними швидкостями вітру.

Потенціал вітрової енергії в Україні

Україна має потужні ресурси вітрової енергії: річний технічний

вітроенергетичний потенціал дорівнює 30 млрд. кВт×год.

В умовах України за допомогою вітроустановок можливим є

використання 15÷19% річного об'єму енергії вітру, що проходить крізь

перетин поверхні вітроколеса. Очікувані обсяги виробництва електроенергії з

1 м

перетину площі вітроколеса в перспективних регіонах складають

800÷1000 кВт×год/м

за рік.

Застосування вітроустановок для виробництва електроенергії в

промислових масштабах найбільш ефективно в регіонах України, де

середньорічна швидкість вітру > 5 м/с: на Азово-Чорноморському узбережжі,

в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській

областях, АР Крим та в районі Карпат.

Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок для

виконання механічної роботи (перемелювання зерна, підняття та перекачки

води і т.п.) є ефективною практично на всій території України.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Питомий енергетичний потенціал вітрової енергії в Україні

№

району

Середньорічна

швидкість вітру,

сер

, м/с

Висота,

Природний

потенціал вітру,

кВт×год/м

рік

Технічно-досяжний

потенціал вітру,

кВт×год/м

рік

15 1120 200

30 1510 280

60 2030 375

1 <4,25

100 2530 460

15 2010 390

30 2710 520

60 3640 700

2 4,5

100 4540 850

15 2810 520

30 3790 690

60 5100 860

3 5,0

100 6350 975

15 3200 620

30 4320 830

60 5810 1020

4 5,5

100 7230 1150

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 3

Енергетичний потенціал сонячного випромінювання

Сонячне випромінювання — екологічно чисте й поновлюване джерело

енергії. Запаси сонячної енергії величезні, річна кількість падаючої на Землю

енергії становить 1,05·10

кВт·год, з них 2·10

кВт·год припадає на

поверхню суші. Із цієї кількості енергії 1,62·10

кВт·год у рік можуть бути

використані без шкоди для навколишнього середовища (1,5 % всієї падаючої

на Землю сонячної енергії), що еквівалентно спалюванню 2·10

т умовного

палива (т у.п.) у рік. Остання цифра в 60 разів перевищує прогнозоване на

2020 рік виробництво всіх видів енергоресурсів на земній кулі (34,2 млрд

т.у.п.).

Енергетичний потенціал сонячної радіації

Верхньої границі атмосфери Землі за рік досягає потік сонячної енергії

в кількості 5,6·10

Дж. Атмосфера Землі відбиває 35% цієї енергії, тобто

1,9·10

Дж, назад у космос, а інша енергія витрачається на нагрівання земної

поверхні (близько 2,4·10

Дж), випарно-осадовий цикл (близько 1,3·10

Дж)

і утворення хвиль у морях і океанах, повітряних і океанських плинів і вітру

(близько 1,2·10

Дж). Потужність потоку сонячного випромінювання у

верхньої границі атмосфери Землі дорівнює 1,78·10

Вт, а на поверхні Землі

1,2·10

Вт.

Щільність потоку сонячної енергії I

у верхньої границі атмосфери на

поверхню, розташовану перпендикулярно напрямку сонячних променів,

становить 1353 Вт/м

і називається сонячної постійної, а середня кількість

енергії, що надходить за 1 год на 1 м

цій поверхні, дорівнює 4871

кДж/(год·м

). Внаслідок обертання Землі навколо Сонця по еліптичній орбіті

відстань між ними протягом року змінюється в межах 150 млн. км ± 1,7%, а

годинна кількість позаатмосферної сонячної енергії, що надходить на 1 м

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

нормальній поверхні, змінюється протягом року менш чим на 7 % — від 4710

до 5036 кДж/(год·м

Розподіл глобального потоку сонячної радіації на поверхні земної кулі

вкрай нерівномірний. Кількість сонячної енергії, що надходить за рік на 1 м

поверхні Землі, змінюється приблизно від 3000 МДж/м

на півночі до 8000

МДж/м

у найбільш жарких пустельних місцях.

Середньорічна кількість сонячної енергії, що надходить за 1 день на 1

поверхні Землі, коливається від 7,2 МДж/м

на півночі до 21,4 МДж/м

пустелях і тропіках. Пікова щільність потоку сонячної енергії досягає 1

кВт/м

При проходженні сонячних променів через атмосферу Землі частина

випромінювання розсіюється й поглинається молекулами озону, повітря й

водяної пари, а також частками пилу - це приводить до ослаблення прямого

сонячного випромінювання й появі дифузійного (розсіяного)

випромінювання. Частина енергії, поглиненої й розсіяної газовими частками,

вертається назад у космічний простір, а основний її потік

досягає поверхні

Землі у вигляді розсіяного (дифузійного) випромінювання.

Таблиця 1. Середньорічне денне надходження сумарної сонячної

енергії на поверхню Землі Е, МДж/м

у день

Широта

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

21,4 20,9 19,6 17,6 14 11,9 9,2 6,8 5,2 4,6

Оскільки відстань між Землею й Сонцем має сезонні зміни,

інтенсивність сонячної радіації, що падає на одиничну площадку, також не

залишається постійної. Ефективна сонячна стала I

еф. враховуючі ці сезонні

коливання, може бути розрахована по формулі:

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

де n - порядковий номер дня, відлічений від 1 січня.

Кут падіння сонячних променів θ на розглянуту площину в заданий

момент часу може бути обчислений за допомогою наступного

співвідношення:

де φ - широта місцевості;

δ - схилення (кутове положення Сонця в сонячний полудень щодо

площини екватора);

β (s) - кут між розглянутою площиною й горизонтальною площиною;

γ - азимутальний кут (кут між проекцією нормалі до розглянутої

площини й місцевим меридіаном);

ω - годинний кут (відлічений від сонячного полудня, кутовий зсув

Сонця щодо місцевого меридіана, обумовлене

обертанням Землі й відповідне

15° у годину).

При відліку кутів дотримуються наступні правила:

значення φ і δ позитивні для північної півкулі й негативні для

південного;

γ відлічується від південного напрямку й має позитивний знак при

відхиленні до сходу й негативний - при відхиленні до заходу;

ω рівняється нулю в сонячний полудень, до

полудня має негативні

значення, після полудня - позитивні.

Схилення δ визначається по формулі:

де n - порядковий номер дня року.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Дані по сонячній радіації

Дані по сонячній радіації можна представляти декількома способами,

причому вони повинні містити наступну інформацію:

1. Чи є вони безпосередньо вимірюваними величинами або сумарними

значеннями за який-небудь період часу (зазвичай за годину або добу).

2. Час або період часу, на протязі якого проводилися вимірювання.

3. Тип сонячної радіації (пряма, розсіяна або сумарна), тип

вимірювальної апаратури.

4. Орієнтація прийомної поверхні (зазвичай горизонтальна, іноді з

певним нахилом або в напрямку нормалі).

5. Для усереднених даних період часу, для якого проводилося

усереднення (наприклад, середньомісячне значень добової суми сонячної

радіації).

Існують рівняння для оцінки сонячної радіації (прямої) залежно від

кліматичних умов.

Рівняння Ангстрема, отримане статистичним методом регресії, зв'язує

середню щільність потоку сонячної радіації із щільністю потоку

радіації в

ясний день (у розглянутій місцевості) і середньою часткою можливого числа

годин сонячного сяйва: