Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

использовать различные среды при нагреве материалов, включая вакуум.

Достижим высокий уровень температур до 3500

С. Коэффициент полезного

действия составляет 0,5-0,85, что позволяет им конкурировать с огневыми

промышленными печами. Однако ЭТУ являются энергоемкими.

На основе опыта эксплуатации электротермических установок

выработаны следующие рекомендации по экономии энергии [11].

• Увеличение загрузки печи в 2 раза за счет рациональной укладки материала

сокращает расход электроэнергии на 40%.

• Использование печей с загрузкой менее 70% не разрешается.

• Уменьшение веса и размеров загрузочной тары снижает расход

электроэнергии. Вес тары не должен превышать 10% обрабатываемого

изделия.

• Температура наружной поверхности не должна превышать 65

С, что влечет

избыточные потери тепла. Лучше, если она не превышает 30-40

С.

• Использование современных теплоизоляционных материалов снижает расход

электроэнергии на 20-25% и сокращает время разогрева на 30%.

• Окраска печей алюминиевой краской снижает потери тепла и расход

электроэнергии на 3-5%.

• Улучшение герметичности печей.

• Поддержание оптимальных уровней напряжения обеспечивает минимальный

расход электроэнергии на 20-25% и сокращает время разогрева на 30%.

• Применение автоматического регулирования температуры, форсированного

разогрева в начале процесса снижает расход электроэнергии до 25%.

• При трехсменной работе печей общий расход электроэнергии снижается на

20-30%.

В быту применяются электрические плиты, которые также относятся к

электротермическим установкам. Эффективное использование электрической

энергии здесь может быть достигнуто за счет:

• форсированного разогрева конфорок и доведения жидкости до кипения, с

последующим снижением мощности при варке блюд до готовности;

• закрытия сосудов с готовящейся пищей крышками и использования

скороварок;

• использования отключенных неостывших конфорок для подогрева

водопроводной воды впрок;

• использования посуды с плоским недеформированным дном в плитах с

чугунными и стальными конфорками;

• удаления нагара и грязи с днищ посуды.

8.4. Электрохимическое производство

Электрохимические процессы осуществляются при использовании

электрической энергии и используются при выплавке металлов, в топливных

элементах и аккумуляторных батареях, при борьбе с коррозией, в процессах

гальванопластики и электролитического травления. В этих процессах основные

электроприемники  выпрямительные агрегаты, насосы и вентиляторы.

Потребление электроэнергии ими зависит от того, какие вещества получаются, и

может быть значительным при невысокой эффективности использования. В

электрохимических процессах основными факторами, влияющими на

потребление энергии, являются: электрическая схема соединений, конструкция

электродов, потери на нагрев электролитной ванны и другие тепловые потери,

расход электродов, химические реакции с участием загрязняющих примесей.

Коррозия приносит значительные убытки в промышленности и в

хозяйственной деятельности государства в целом. Электрохимия позволяет

уменьшить коррозию и тем самым продлить срок эксплуатации устройств,

машин и агрегатов. Результатом этого является снижение затрат на энергию и

значительная экономия денежных средств. Анализ показывает, что в США эта

экономия может достигать от 0,5 до 1% валового национального продукта [45].

Уменьшение коррозии достигается несколькими способами. С помощью

катодной защиты, в том числе и наложенным внешним током, а также

нанесением защитных пленок электроосаждением на основе гальваностегии,

нанесением защитных покрытий методом анодирования, пассивацией, когда

химически активная поверхность металла переходит в пассивную, изменением

реакционной способности электролита путем специальной очистки или

введением добавок.

Важным направлением электрохимии является также создание

аккумуляторов и топливных элементов. Данные устройства необходимы для

сглаживания графиков электрической нагрузки, что позволяет уменьшить

производство электроэнергии. В настоящее время данная проблема в больших

масштабах пока остается не решенной из-за дороговизны аккумуляторов и

небольшого количества допускаемых циклов зарядки-разрядки.

В данной и 3-й главах рассмотрены основные пути достижения

эффективного использования электрической энергии при ее передаче и

потреблении. Многие рекомендации характерны для большинства производств.

Снижение потребления электроэнергии в промышленности достигается:

• уменьшением реактивной составляющей в цепях электрического тока;

• использованием источников освещения с высокой светоотдачей,

рациональным их размещением и управлением;

• использованием синхронных регулируемых электроприводов;

• рациональной организацией термической обработки материалов в

электропечах и установках;

• продлением срока службы машин и оборудования за счет подавления и

снижения скорости коррозии электрохимическими методами.

В быту потребление энергии также является значительным. Здесь имеются

резервы ее экономии, если заменить бытовые приборы старого образца более

экономичными новыми и если использовать лампы низкого энергопотребления.

За счет этих мероприятий потребление энергии можно снизить приблизительно

на 50%. Еще одним резервом является привычка экономить, что дополнительно

дает уменьшение потребления энергии на 10%.

Контрольные вопросы

1. Какие виды потерь электрической энергии Вы знаете?

2. Что такое световая отдача? Для каких целей применяется этот параметр?

3. Каким образом определяется показатель дискомфорта освещения?

4. Перечислите известные источники освещения и назовите их светоотдачу?

5. Какие мероприятия позволяют снизить потребление электроэнергии на освещение?

6. Какие виды электроприводов Вы знаете?

7. Какие мероприятия позволяют снизить потребление энергии электроприводами?

8. Какие способы регулирования производительности центробежных механизмов

используются? Какие из них позволяют достичь максимального снижения

потребления электроэнергии?

9. Какие мероприятия приводят к экономии энергии в электротермических

установках?

10. Как добиться снижения потребления электроэнергии при использовании бытовых

электроплит?

11. Какова роль электрохимического производства в энергосбережении?

12. За счет каких мероприятий можно добиться снижения потребления энергии в

электрохимии?

9. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Возобновляемый энергетический ресурс - постоянно действующие или

периодически возникающие потоки энергии в результате естественных

природных процессов.

Источниками возобновляемой энергии являются солнечное излучение,

энергия планетарного движения в виде приливов и отливов, энергия химических

реакций и радиоактивного распада в недрах Земли, проявляющаяся в виде

геотермальных источников. К возобновляемым источникам также относится

преобразованная энергия Солнца в виде энергии ветра, гидроэнергии и

биомассы.

Отличительной чертой возобновляемых источников является то, что

потоки энергии могут быть использованы лишь частично. Эта особенность

рассматривалась в главе 1 и показана на рис.1.4.

Одним из свойств большинства возобновляемых источников энергии

является их периодичность. Каждый из этих источников также характеризуется

набором параметров, которые влияют на интенсивность потоков энергии.

Например, периодичность энергии ветра составляет один год, а определяющими

параметрами являются скорость ветра и высота.

Энергетика на возобновляемых источниках энергии должна

ориентироваться только на существующие ресурсы для данного региона.

Масштабному их использованию должен предшествовать тщательный

мониторинг, чтобы знать мощность источников и потребности региона в

энергии, в том числе структурные. Необходимо также учитывать непостоянство

потоков энергии во времени и их рассогласованность с потребителем. Важность

этой проблемы видна на рис.9.1, где даны распределение тепловой нагрузки

отопления Q и поступления солнечной энергии E как по месяцам, так и в

течение суток. Максимум поступления энергии приходится на летние месяцы и

в дневное время. В то же время наибольшая потребность в тепле приходится на

зиму, в утреннее и вечернее время.

Рис.9.1. Годовой (а) и суточный (б) графики поступающей солнечной энергии Е и

тепловой нагрузки теплоснабжения здания Q: Е

– используемая солнечная энергия;

– избыток солнечной энергии; Е

– дефицит солнечной энергии

Географическое положение также влияет на интенсивность и

регулярность потоков возобновляемой энергии. Например, скорость ветра в

прибрежных зонах морей и океанов выше, чем в континентальных.

Плотность потоков энергии от невозобновляемых источников намного

выше, чем от возобновляемых. В паровых котлах она равна 100 кВт/м

, в

81216200 4I III V VII IX XI

Месяцы Время дня, ч

E, Q

а) б)

ядерных реактора - 2÷5 МВт/м

, а для солнечного излучения и ветра со

скоростью, приблизительно равной 10 м/с, она равна 1 кВт/м

Необходимость и возможность развития энергетики на возобновляемых

источниках в Беларуси обусловлена:

• дефицитом традиционных невозобновляемых источников энергии;

• благоприятными метеоклиматическими условиями для использования

некоторых видов возобновляемых источников энергии;

• наличием промышленной базы для производства оборудования.

Рассмотрим перспективные возобновляемые источники энергии для

использования их в республике.

9.1. Солнечная энергия

Солнечная энергия достигает Земли в виде направленного Е

рассеянного (диффузного) E

лучистых потоков (рис.9.2а). Относительное

значение интенсивности направленного потока к полной интенсивности

излучения Е

меняется от 0,9 до нуля в пасмурный день с плотной

облачностью.

Рис.9.2. Прямое и рассеянное солнечное излучение (а) и регистрация прямого потока

солнечного излучения (б)

Потоки солнечной энергии различают нормальные, на горизонтальную и

приемную площадки (рис.9.2б). Это в равной мере относится как к прямому, так

и к рассеянному излучению. Если известна плотность потока

в нормальном

направлении, легко определить действительный поток на площадку другой

ориентации: горизонтальную

Θ=

∗

cos

bbh

EE (9.1)

или приемную

,EE

bbc

Θ= cos

(9.2)

Солнце

Облака и пыль

Прямые лучи

Рассеянное излучение

а) б)

где

Θ - соответственно углы между потоком излучения и нормалью, и

вертикалью.

Суммарный годовой поток радиации на горизонтальную площадку в

Минске составляет E

=3714 МДж/м

, а рассеянный - E

=1988 МДж/м

Рассеянный поток приблизительно в два раза меньше суммарного.

Солнечное излучение характеризуется также числом часов солнечного

сияния, которое для Беларуси составляет 1748-1872 в зависимости от региона

[46]. Такая же величина характерна для Швеции, где солнечная энергетика имеет

достижения и поддерживается государством. Минимальное число дней без

солнца приходится на июль. По данным многочисленных наблюдений таких

дней бывает один или два. Напротив, в декабре их число составляет наибольшее

количество, которое равно 19-22 дням.

Поток солнечной энергии используется для горячего водоснабжения,

отопления, получения электрической энергии.

Горячее водоснабжение. Простейшим накопителем энергии является

емкость, заполненная водой (рис.9.3 а,б). Если емкость не изолирована и

открыта  эффективность аккумулирования тепла наименьшая, если она

закрытая и установлена на теплоизолирующей площадке  эффективность

будет выше.

Рис.9.3. Схемы неизолированной (а) и изолированной (б) емкости с водой для приема

солнечного излучения и солнечных коллекторов систем воздушного (в) и водяного (г)

теплоснабжения: 1 – вода; 2 – бак; 3 – грунт; 4 – тепловая изоляция; 5 – стекло; 6 –

лучепоглощающая поверхность теплообмена; 7 – канал для воздуха; 8 – каналы для

воды

844

а) б)

в) г)

Для повышения производительности солнечной установки используется

замкнутый контур с естественной или принудительной циркуляцией, который

содержит солнечный коллектор (теплоприемник) и аккумулирующую

теплоизолированную емкость (рис.9.4). В системах горячего водоснабжения и

отопления используются плоские солнечные коллекторы. Солнечный коллектор

представляет собой теплообменный аппарат с каналами, через которые проходит

теплоноситель (рис.9.3 в,г). Часть солнечной радиации поглощается

поверхностью теплообмена и передается теплоносителю. Качество изоляции и

расположение коллектора по отношению к горизонту влияет на температуру

теплоносителя. Неизолированный коллектор позволяет нагреть воду до 50

С.

Изолированный коллектор имеет многослойное остекление, пропускающее

солнечные лучи, и позволяет нагреть воду до 90

С. Если использовать

вакуумные трубки, то температура воды может составлять до 150

С. Плоский

коллектор поглощает прямое и рассеянное солнечное излучение. В связи с тем,

что потоки солнечных лучей носят нерегулярный характер, для надежного

теплоснабжения следует использовать двухконтурные схемы с резервным

источником тепла в виде теплоэлектронагревателя. Оптимальный угол

расположения коллектора к горизонту превышает широту местности на 10-15

Географическая широта Минска - 55

. Усредненные характеристики солнечного

плоского коллектора площадью 1 м

даны в табл.9.1.

Рис.9.4. Принципиальные схемы одноконтурных (а,в) и двухконтурных (б,г) солнечных

водонагревательных установок с естественной (а, в) и принудительной (б, г)

циркуляцией теплоносителя: 1 – солнечный коллектор; 2 – аккумулятор тепла; 3 –

теплообменник; 4 – резервный источник энергии; 5 – насос; 6 – предохранительный

клапан

Таблица 9.1

Характеристики солнечного плоского коллектора площадью 1 м

Параметр Значение

Производство теплоты 4,86-6,48 кВт

⋅

ч/сутки

1070-1426 кВт

⋅

ч/год

Нагрев воды 420-560 л/сутки (при 30

С)

210-280 л/сутки (при 40

С)

130-175 л/сутки (при 50

С)

90-120 л/сутки (при 60

С)

Экономия ресурсов Электроэнергии 1070-1426 кВт

⋅

ч/год

условного топлива 0,14-0,19 т/год

древесины 0,95-1,26 т/год

Исследования показывают, что с учетом экономического фактора для

широты Минска целесообразно использовать сезонные солнечные системы

горячего водоснабжения.

Солнечное отопление. Солнечное отопление делится на активное и

пассивное. Активное отопление основано на применении инженерных систем,

которое, как и системы горячего водоснабжения, включает контур циркуляции

жидкого теплоносителя или воздуха. На практике жидкостные системы

солнечного отопления встречаются чаще, чем воздушные. Однако они требуют

наличия отопительных приборов и дополнительных мер для защиты от

замерзания и коррозии.

Простейшая схема воздушного отопления показана на рис.9.5. В

солнечный день переключатель 4 находится в положении, когда воздух

циркулирует по замкнутому контуру через коллектор 1 и галечный аккумулятор

2 с помощью вентилятора 3. Вечером или в прохладный день переключатель

устанавливается в положение, когда поток холодного воздуха проходит через

аккумулятор и поступает в отапливаемое помещение, при необходимости

дополнительно нагреваясь с помощью резервного нагревателя 5.

Пассивные системы солнечного отопления используют ориентированные

в южном направлении остекленные элементы строительных конструкций

больших площадей для накопления и переноса тепла потребителю [47,48]. В

течение отопительного сезона трехслойные окна могут обеспечить такие же

теплопоступления, как и теплопотери. Другой подход включает строительство

зданий с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением.

Большая тепловая инерционность строительных стеновых материалов позволяет

использовать накопленное тепло в пасмурные дни и ночное время. Стены также

могут являться пассивными солнечными коллекторами, если они будут

включать конвективные каналы. Для примера на рис.9.6 даны простейшие

варианты систем пассивного солнечного отопления.

Рис.9.5. Схема воздушной системы солнечного отопления: 1 – коллектор; 2 – галечный

аккумулятор; 3 – вентилятор; 4 – переключатель; 5 – резервный источник энергии

Пассивные солнечные теплоиспользующие системы имеют наименьшую

стоимость для вновь строящихся зданий и такой же срок службы, как и само

здание, при низких эксплуатационных расходах. Использование таких систем в

существующих зданиях связано со значительными трудностями и затратами.

Рис.9.6. Обычный дом (а) и дома с пассивными солнечными системами отопления без

циркуляции воздуха (б) и с циркуляцией воздуха (в): 1 - здание; 2 - стена; 3 - пол; 4 -

воздушная прослойка; 5 - стекло

Получение электроэнергии. Преобразование потока солнечной энергии в

электричество осуществляется двумя способами: термомеханическим и

фотоэлектрическим. Первый способ основан на передаче теплоты

теплоносителю с генерацией пара и дальнейшим ее преобразованием по

традиционной схеме в механическую и электрическую энергию. Для создания

больших плотностей потоков тепла используются солнечные концентраторы

параболического (рис.9.7) или сферического типа, которые сфокусированы на

поверхность теплоприемника. В нашем случае теплоприемником является канал,

а) б) в)

100

по которому течет теплоноситель. Данные коллекторы, в отличие от плоских,

поглощают только прямое излучение и снабжаются системами, следящими за

Солнцем. Например, по такому принципу работают солнечные электростанции

башенного типа.

Рис.9.7. Схема солнечного параболического концентратора. Сечение устройства (а) и

его общий вид (б): 1 – Солнце (солнечные лучи); 2 – теплоприемник; 3 – коллектор; 4 –

следящее устройство

Устройства для преобразования электромагнитного излучения

оптического диапазона Солнца в электрическую энергию постоянного тока

называют фотоэлементами или солнечными элементами. Некоторые из

фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды

(рис.9.8), где происходит разделение положительных и отрицательных

носителей заряда при поглощении электромагнитного излучения. При плотности

потока солнечного излучения около 1 кВт/м

создается разность потенциалов

0,5В и плотность тока около 200 А/м

. При таких параметрах современные

преобразователи позволяют получить напряжение 120 В с одного квадратного

метра. В настоящее время стоимость электроэнергии, получаемой с помощью

фотоэлектрических установок, превышает стоимость энергии традиционных

энергоустановок. Однако она постепенно снижается.

Рис.9.8. Схема солнечного элемента с p-n переходом: 1 – противоотражательное

покрытие лицевого контакта; 2 – металлический контакт с тыльной стороны

Нагрузка

- n

- p

Солнечное излучение

б)

а)