По курсу «Основы энергосбережения»

для студентов технических специальностей

М и н с к 1 9 9 9

УДК 621.1.000.24

 

В данную работу включены инструкции к лабораторным работам по курсу “Основы энергосбережения”, а также сведения о некоторых способах преобразования и передачи энергии. Цель практикума - дать наглядное представление о возможностях более эффективного использования энергии в различных областях деятельности человека.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с учебным планом кафедры ЮНЕСКО “Энергосбережение и возобновляемые источники энергии” по курсу “Основы энергосбережения”.

Рекомендовано методической комиссией Республиканского образовательного центра для технических специальностей.

Одобрено учебно-методическим управлением.

 

Составители:

В.Г. Баштовой, Д.Л. Жив, Е.В. Кравченко,

А.Г. Рекс, Н.Г. Хутская, И.В. Янцевич

 

Рецензент В.Л. Драгун

 

Учебное издание

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (ПРАКТИКУМ)

по курсу «Основы энергосбережения»

для студентов технических специальностей

 

Составители:

БАШТОВОЙ Виктор Григорьевич

ЖИВ Дмитрий Львович

КРАВЧЕНКО Евгений Владимирович и др.

 

Редактор Н.А. Школьникова

Подписано в печать

Формат 60х84 1/16. Бумага тип. № 2. Офсет. печать.

Усл. печ. л. 3,. Уч. изд. л. 2,. Тираж 150. Зак. 285.

Издатель и полиграфическое исполнение:

Белорусская государственная политехническая академия.

Лицензия ЛВ № 155 от 30.01.99. 220027, Минск, пр. Ф. Скорины, 65.

 

 

Ó В.Г.Баштовой, Д.Л.Жив, Е.В.Кравченко

и др., составление 1999

В в е д е н и е

Курс «Основы энергосбережения» включается в образовательные стандарты всех специальностей вузов Министерства образования РБ и является базовой дисциплиной для последующего изучения специальных вопросов эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях народного хозяйства.

Настоящий лабораторный практикум предназначен для проведения лабораторных работ по курсу «Основы энергосбережения» для студентов технических специальностей. Практикум содержит теоретический материал, описание экспериментальных установок и методический материал по выполнению работ и обработке результатов измерений.

Материал практикума охватывает основные методы преобразования световой энергии и энергии ветра в электрическую; основные источники потерь энергии при транспортировке жидкостей и газов по трубопроводу; методы использования низкопотенциального тепла (тепловые насосы); методы более эффективной передачи тепла от одного теплоносителя к другому; методы переноса энергии с помощью тепловой трубы как наиболее эффективной теплопередающей системы. Студенты имеют возможность сравнить различные источники света и выбрать наиболее эффективные из них.

Материал практикума построен таким образом, чтобы им могли пользоваться студенты различных технических специальностей с различным уровнем начальной подготовки.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

 

ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ - СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Цель работы: изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую. Исследовать основные технические характеристики фото-электрической батареи.

 

Общие сведения

 

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2×10¹⁷ Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м^2.. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10 % и поток солнечной энергии 17 МДж/м² в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м ² площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км ² на одного человека приходится 2000 м ² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5 % этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины.

Поток излучения -величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения - Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) -величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения п лотности потока излучения - Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разных длин волн вызывают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6х10^-3 Вт (или 1 Вт =217 лм).

Освещенность -величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для белого света 1 лк = 4,6×10^-3 Вт/м² (или 1 Вт/м² =217 лк).

Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами.

 

Освещенность, создаваемая различными источниками

Источники	Освещенность, лк	Освещенность, Вт/м2
Солнечный свет в полдень (средние широты)
Солнечный свет зимой
Облачное небо летом	5000-20000	23-92
Облачное небо зимой	1000-2000	4,6-9,2
Рассеянный свет в светлой комнате (вблизи окна)		0,46
Светильники, создающие необхо-димую для чтения освещенность	30-50	0,14-0,23
Полная Луна, облучающая поверхность Земли	0,2	0,92×10-3

 

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.

При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явления как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость).

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10-15 % (т.е. при освещенности 1 кВт/м² вырабатывают электрическую мощность 1-1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p-n переходом изображена на рис.1.1 и включает в себя: 1 - слой полупроводника (толщиной 0,2-1,0 мкм) с n-про-водимостью; 2 - слой полупроводника (толщиной 250-400 мкм) с p-проводи-мостью; 3 - добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм); 4 - металлический контакт с тыльной стороны; 5 - соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента; 6 - противоотражательное покрытие; 7 - лицевой контакт; 8 - соединительный проводник к тыльному контакту следующего элемента. Характерный размер солнечного элемента 10 см.

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи как изображено на рис. 1.2.

В 1958 году впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов.

Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях.

 

 

Рис. 1.1. Структура солнечного элемента

 

 

 

Рис. 1.2. Э - солнечный элемент; М - солнечный модуль;

Б - солнечная батарея

 

За последние годы мировая продажа солнечных модулей составила по суммарной мощности 25 МВт в 1986 году и около 60 МВт - в 1991 году.

Полная стоимость солнечных элементов с 1974 по 1984 год упала примерно со 100 до 4 долларов США на 1 Вт максимальной мощности. Предполагается снижение этой величины до 0,8 долларов США. Однако даже при полной стоимости солнечных элементов 4 доллара США на 1 Вт плюс вспомогательной аппаратуры 2 доллара США на 1 Вт при облученности местности 20 МДж/м² в день и долговечности солнечных батарей 20 лет стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет примерно 16 центов США за 1 кВт×ч (4,4 цента за МДж). Это вполне конкурентоспособно с электроэнергией, вырабатываемой дизельгенераторами, особенно в отдаленных районах, где стоимость доставки топлива и обслуживания резко возрастает. Ожидается, что в ближайшие несколько лет солнечные батареи будут широко использоваться развивающимися странами в сельских местностях в осветительных системах и системах водоснабжения.

Основные компоненты солнечной энергетической установки изображены на рис. 1.3 и включают в себя: Б - солнечную батарею с приборами контроля и управления; А - аккумуляторную батарею; И - инвентор для преобразования постоянного тока солнечной батареи в переменный ток промышленных параметров, потребляемый большинством электрических устройств.

Несмотря на неравномерность суточного потока солнечного излучения и его отсутствие в ночное время аккумуляторная батарея, накапливая вырабатываемое солнечной батареей электричество, позволяет обеспечить непрерывную работу солнечной энергетической установки.

Рис. 1.3. Солнечная энергетическая установка

Экспериментальная установка

 

Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рис. 1.4) включает в себя: 1 – солнечный модуль, состоящий из 36-ти (9х4) солнечных элементов; 2 – амперметр и 3 – вольтметр для определения напряжения и силы тока, вырабатываемых солнечным модулем; 4 – источник света, имитирующий солнечное излучение; 5 – люксметр для определения освещенности поверхности солнечного модуля; 6 – реостат, представляющий собой регулируемую нагрузку в электрической цепи.

Порядок выполнения работы

 

а). Исследование характеристик холостого хода солнечного элемента

 

1. Удостовериться, что нагрузка на солнечный модуль отсоединена.

2. Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля (нулевая отметка на лимбе источника).

3. Включить источник света.

4. Люксметром измерить освещенность Е в центре (Е_ц) и в четырех крайних точках поверхности (Е₁, Е₂, Е₃, Е₄) солнечного модуля и вычислить ее среднее значение (Е_ср).

5. По показаниям вольтметра определить вырабатываемую солнечным элементом ЭДС.

6. Проделать аналогичные измерения при косом падении излучения на поверхность модуля, поворачивая источник света на 10, 20, 30, 40, 50 градусов по лимбу.

7. Вычислить плотность потока излучения W (энергетическую освещенность), используя соотношения между лк и Вт/м² для белого света, W = 4,6×10^-3 Е_ср.

8. Вычислить ЭДС, вырабатываемую одним солнечным элементом ЭДС-1, разделив ЭДС на число элементов 36.

9. Все результаты занести в табл. 1.1.

 

Т а б л и ц а 1.1

Результаты измерений и вычислений

Угол падения излучения, град	Ец, лк	Е1, лк	Е2, лк	Е3, лк	Е4, лк	Еср, лк	ЭДС, В	W, Вт/м2	ЭДС-1, В

 

10. Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность W.

 

б). Определение вольт-амперной характеристики солнечного модуля

 

1. Подключить нагрузку (реостат) к цепи солнечного элемента.

2. Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля (нулевая отметка на лимбе источника).

3. Включить источник света. По показаниям вольтметра определить напряжение в цепи U. По показаниям амперметра определить ток в цепи I.

4. Перемещая подвижный контакт реостата, изменить сопротивление нагрузки в цепи и выполнить измерения U и I. Провести измерения 6 раз в пределах от минимального до максимального значения сопротивления нагрузки.

5. Для каждого измерения вычислить электрическую мощность в цепи W_Э=I×U.

6. Все данные занести в табл. 1.2.

 

Т а б л и ц а 1.2

Плотность потока излучения, Вт/м2	Номер измерения	Напряжение U, В	Ток I, А	Мощность WЭ, Вт

 

9. Построить вольт-амперную характеристику (график зависимости I от U) солнечного модуля при данной плотности потока излучения, значение которой взять из предыдущей серии измерений.

10. Отметить наибольшее значение мощности, вырабатываемой солнечным модулем.

 

Л и т е р а т у р а

 

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии.– М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Solar Electricity /Ed. Tomas Markvart/. UNESCO Energy Engineering Series. New York, 1994.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Цель работы состоит в изучении устройства, принципа действия и сравнении основных параметров наиболее распространенных типов электрических источников света.

 

Общие сведения

 

Свет представляет собой электромагнитные волны длиной 4×10^-7-8×10^-7 м. Электрические волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом или молекула начали излучать, им необходимо передать определенное количество энергии. Излучая, они теряют полученную энергию, поэтому для непрерывного свечения необходим постоянный приток энергии извне.

Поток излучения Ф_изл – энергия, переносимая электромагнитными волнами за 1 секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения - Дж/с = Вт.

Энергетическая освещенность Е_эн (плотность потока излучения) – отношение потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения энергетической освещенности - Вт/м².

Световой поток Ф – поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн (наиболее чувствителен глаз при дневном освещении к свету с длиной волны 555 нм). Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6×10^-3 Вт (1 Вт = 217 лм).

Освещенность Е - отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Измеряется в люксах (лк), где люкс – освещенность, при которой на 1 м ² поверхности равномерно распределен световой поток в 1 люмен.

Освещенность поверхности прямо пропорциональна световому потоку и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

Тепловое излучение - наиболее распространенный вид излучения. При этом потери атомами или молекулами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии их теплового движения. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы или молекулы. При столкновении друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, которая затем превращается в световую.

Люминесцентноеизлучение исходит из сравнительно небольшого числа центров люминесценции – атомов, молекул или ионов, приходящих в возбужденное состояние под воздействием внешних причин, а затем, при переходе возбужденного центра на более низкий энергетический уровень, испускающих квант люминесцентного излучения. Вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами.

 

Электрические источники света, их конструкции и параметры

 

Электрические источники света по способу генерирования ими излучения делятся на температурные (лампы накаливания) и люминесцентные (люминесцентные и газоразрядные лампы).

Принцип действия ламп накаливания основан на вышеописанном тепловом излучении. Использование этого принципа обуславливает основные недостатки ламп накаливания, а именно:

- низкий КПД (около 2 %), так как подавляющая часть потребляемой электроэнергии этими лампами преобразуется не в световую, а в тепловую энергию;

- низкий срок службы, который в среднем составляет около 1000 часов, ограничиваемый сроком службы спирали, которая работает при больших температурах. Срок службы ламп накаливания снижается при их вибрациях, частых включениях и отключениях, не вертикальном положении.

Кроме того, свет ламп накаливания отличается от естественного преобладанием лучей желто-красной части спектра, что искажает естественную расцветку предметов.

Несмотря на указанные недостатки, в настоящее время лампы накаливания находят все еще широкое распространение в связи с их простотой в эксплуатации, надежностью, компактностью и низкой стоимостью.

Лампы накаливания могут быть вакуумными и газонаполненными. В последних используется аргон с добавлением 12-15 % азота.

Разновидностью ламп накаливания являются галогенные лампы, основное отличие которых заключается в повышенном сроке службы, как правило, до 2000 часов. Это достигается за счет того, что в состав газового заполнения колбы галогенной лампы накаливания добавляется йод, который при определенных условиях обеспечивает обратный перенос испарившихся частиц вольфрама спирали со стенок колбы лампы на тело накала.

Люминесцентная лампа представляет собой запаянную с обоих концов стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора. Из лампы откачан воздух и она заполнена инертным газом аргоном при очень низком давлении. В лампу помещена капля ртути, которая при нагревании превращается в ртутные пары. Вольфрамовые электроды лампы, как правило, имеют вид спирали. Параллельно спирали располагаются два жестких никелевых электрода, каждый из которых соединен с одним из концов спирали. При подаче на электроды напряжения в газовой среде лампы возникает электрический разряд, в частности между жесткими электродами и спиралью.

В цилиндрическом баллоне ртутной лампы идет электрический разряд. Возбужденные атомы ртути испускают мощные потоки электромагнитного излучения, основная энергия которого лежит в ультрафиолетовой части спектра. Под действием ультрафиолетового излучения происходит свечение покрытых люминофором стенок лампы разным цветом. Поглощая ультрафиолетовое излучение, смесь люминофоров излучает в видимой части спектра и в достаточной степени воспроизводит спектр дневного света.

 

Снижение потребления электроэнергии

при повсеместном внедрении люминесцентных ламп

 

В странах СНГ не менее 10 % вырабатываемой электроэнергии потребляется при освещении жилых и непроизводственных служебных помещений лампами накаливания. С учетом вышеизложенного их повсеместная замена в указанных помещениях люминесцентными лампами позволит снизить требуемое количество вырабатываемой электроэнергии на 7 %. В частности, для Республики Беларусь при этом в абсолютных числах ежегодная экономия электроэнергии будет составлять не менее 4 млрд. кВт×ч.

 

Экспериментальная установка

 

 

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рис. 2.1) включает в себя: 1 - лампу накаливания; 2 - люминесцентную лампу, работающую с частотой 35 000 Гц; 3 - ват-тметр для измерения потребляемой лампами из сети электрической мощности; 4 - выключатели; 5 - прибор для измерения освещенности люксметр типа ЛК-3.

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установить диапазон измерений люксметра 0–2500 лк.

2. Включить лампу накаливания. Люксметром 5 измерить величину освещенности на поверхности включенного светильника в 5 точках.

3. По ваттметру 3 определить величину потребляемой лампой накаливания мощности из сети.

4. Выключить лампу накаливания.

5. Включить люминесцентную лампу и произвести для нее аналогичные измерения.

6. Полученные данные занести в табл. 2.1.

7. Измерить диаметр d (м) и высоту h (м) цилиндрического светильника и определить его поверхность , м ².

8. По результатам расчетов сделать вывод об экономичности рассмотренных источников света и целесообразности их использования.

 

Т а б л и ц а 2.1

Параметры	Включенный электрический источник света
лампа накаливания	люминесцентная лампа, работающая на частоте 35000 Гц
Освещенность Е (лк) на поверхности светильника, в точках
Расчетное значение освещенности , лк
Расчетное значение светового потока , лм
Поток излучения , Вт
Потребляемая мощность N, Вт
КПД источника света
Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) ,

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3