И з м е р е н и е к о л и ч е с т в а т е п л о т ы

 

 

Необходимость оперативного определения расхода теплоты и теплопо-терь с особой остротой выявилась в последнее время в связи с требованием экономии топливно-энергетических ресурсов. Тепловая мощность потока опре-деляется как q = G · h, где G — массовый расход теплоносителя, h ─ удельная энтальпия теплоносителя. Отпуск теплоты Q находят интегрированием q по времени. При этом в соответствии с видом теплоносителя энтальпия зависит от температуры и давления.

Процесс измерения сводится к комплексному измерению давлений, рас-ходов и температур с последующими расчетными операциями.

 

Измерительная система теплосчетчика "Квант" (рис. 31) состоит из элек-тромагнитного (индукционного) расходомера (ИР), платиновых терморезисто-ров — датчиков температуры прямого и обратного потоков и автоматического вычислительного прибора (АВП). Подающий трубопровод расположен между полюсами электромагнита М, под действием которого ионы жидкости отдают заряды измерительным электродам 3, создавая ток, пропорциональный расходу V. Измерительный блок (ИБ) трансформирует сигнал о расходе и передает на АВП, куда также поступают сигналы от терморезисторов RK1 и RK2. АВП производит счетные операции с выходом на регистрирующий прибор (РП) и АСУ.

 

 

Рис. 31. Измерительная схема теплосчетчика «Квант»

 

 

На рис. 32 показан комплект приборов теплосчетчика НПТО "Термо". В состав комплекта входят: электромагнитный расходомер РОСТ-1; измерительный пре-образователь ЭП-8006; термометры сопротивления КТСПР для измерения раз-ности температур.

 

Рис. 32. Комплект приборов теплосчетчика «Термо»

 

 

Теплосчетчик отличается высокой точностью измерения, отсутствием требований к прямолинейности участков трубопровода, отсутствием подвиж-ных элементов в потоке. Комплект имеет цифровой шестиразрядный счетчик количества теплоты в гигаджоулях, цифровую индикацию расхода теплоноси-теля, аналоговые выходные сигналы постоянного тока, частотный выходной сигнал, телеметрический датчик для передачи данных в систему учета энергии ИИСЭ.

 

Индивидуальные тепломеры, широко распространенные в ряде европей-ских стран, оценивают расход теплоты индивидуальными потребителями, на-пример радиаторами центрального отопления. Стеклянная градуированная тру-бочка, заполненная тетралином, прикрепляется к поверхности радиатора. Сис-тематический ее нагрев приводит к испарению жидкости, по уровню которого судят о расходе теплоты.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение электроизмерительных приборов и их классификация.

2. Как включаются в электрическую цепь измерительный прибор для рабо-ты в качестве вольтметра или амперметра?

3. Опишите принцип работы приборов магнитоэлектрической системы.

4. В чем отличие приборов электромагнитной системы от магнитоэлектри-ческой и принцип их работы?

5. Опишите косвенный метод измерения мощности. 6. Опишите устройство ваттметра.

7. Устройство и работа однофазного счетчика активной энергии. 8. Область применения и устройство термометров расширения. 9. Объясните принцип действия манометрических термометров. 10.Устройство термопары и принцип ее работы?

11.Что такое термо-э.д.с. и как она образуется?

12.Что такое термометры сопротивления и принцип их действия? 13.Назначение пирометров и принцип их действия. 14.Разновидности пирометров.

15.Понятие давления и какое соотношение связывает абсолютное, избыточ-ное и атмосферное давления?

16.Приведите классификацию приборов для измерения давления. 17.В чем заключается принцип действия пружинного манометра? 18.Понятие расхода и связь между массовым и объемным расходом? 19.Приведите классификацию расходомеров.

20.Принцип действия тахометрического расходомера?

21.В чем заключается принцип действия расходомеров постоянного перепа-да?

22.Принцип действия и устройство расходомеров переменного перепада. 23.В чем заключается принцип действия индукционных расходомеров? 24.Принцип действия и преимущество ультрозвуковых расходомеров. 25.Принципиальная схема, устройство и принцип действия ионизационных

расходомеров.

26.Физический принцип измерения количества теплоты и измерительные системы теплосчетчиков.

42 Тема 2. Традиционные способы получения энергии

 

 

Ключевыепонятия: тепловые электростанции, конденсационные элек-тростанции, атомные электростанции, ядерный реактор на тепловых нейтронах, газотурбинные и парогазовые установки, гидроэлектростанции.

 

 

План:

 

1. Понятие тепловых электростанций и принцип их работы.

2. Принципиальные схемы и работа конденсационных электростанций и те-плоэлектроцентралей.

3. Принципиальные схемы и работа атомной электростанции.

4. Схема устройства ядерного реактора на тепловых нейтронах и принцип его работы.

5. Принципиальные схемы и работа газотурбинных установок. 6. Принципиальные схемы и работа парогазовых установок.

7. Принцип получения электрической энергии в гидроэлектростанциях. 8. Схемы, устройство и работа гидроэлектростанций.

9. Принцип работы и устройство гидроаккумулирующих электростанций.

 

Тема 3. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую

 

 

Ключевыепонятия: солнечная энергия, поток излучения, световой по-ток, освещенность, фотоэффект, солнечный элемент, модуль, батарея, люкс-метр, коэффициент преобразования, вольт-амперная характеристика.

 

 

Цель работы:

1. Ознакомиться с показателями, характеризующими солнечное излуче-ние.

2. Изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую. 3. Исследовать характеристику солнечного модуля на холостом ходу.

4. Исследовать вольт-амперную характеристику солнечного модуля.

 

Содержание работы

 

1. Ознакомиться с теоретической частью, основными понятиями и опре-делениями.

2. На основании полученных теоретических знаний выполнить необхо-димые расчеты и построить необходимые графики.

3. Внеаудиторная работа предполагает дополнительную проработку тео-ретических вопросов, а также доработку и оформление результатов практических занятий.

 

 

Общие сведения

 

 

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим суще-ствование 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. Э л е к т р о м а г н и т н ы м и з л у ч е н и е м солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверх-ности 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 населе-ния Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м2.. Для насе-ленных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки сол-нечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие ос-новные величины.

 

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

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) - вели-чина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения - Вт/м2.

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцени-ваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодина-ково 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 вы-зывают 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, падаю-щего 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.

Таблица 1 Освещенность, создаваемая различными источниками

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

 

 

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

При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электриче-скую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явле-ния как фотоэффект.

 

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом. Различают три вида фотоэлектрического эффекта: в н е ш н и й, в н у т р е н н и й и в е н т и л ь н ы й (р-п перехода) фотоэффек-ты. Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов с поверхно-сти вещества на которую падает свет. Внутренний фотоэффект связан с изме-нение электрической проводимости вещества при поглощении им света. Вен-тильный фотоэффект связан с перемещением зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для соз-дания солнечных элементов, является кремний.

Рассмотрим структуру солнечного элемента с p-n переходом. Она вклю-чает в себя (рис. 1): слой полупроводника с n-проводимостью и слой полупровод-ника с p-проводимостью. На границе разделов двух полупроводников образует-ся р-п переход.

 

 

Рис. 1. Структура солнечного элемента

 

 

При освещении р-n перехода солнечным светом, фотоны света проникают через полупрозрачный слой р-полупроводника в р-n переход и ионизируют атомы кремния (Si) 1, создавая при этом новые пары носителей заряда – дырки (р) 2 и электроны (n) 3. Образовавшиеся, в зоне р-n перехода, электроны 3 под воздействием потенциального поля Ез переносятся в область n - полупроводни-ка, а дырки, соответственно, в область р - полупроводника. Это приводит к об-разованию избытка дырок в слое р и электронов в слое n. Разность потенциалов между слоями n и р вызывает прохождение по внешней цепи Rн фототока Iф, обусловленного движением электронов из области n – полупроводника в по внешней цепи в область р-полупроводника.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабаты-

 

ваемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют ко-эффициент преобразования 10-15 %.

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, ко-торые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи как изо-бражено на рис. 2.

 

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

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

 

4 A

 

 

М		М			М

 

V

 

 

Э М Б

 

 

Рис. 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 при-мерно со 100 до 4 долларов США на 1 Вт максимальной мощности. Предпола-гается снижение этой величины до 0,8 долларов США. Однако даже при пол-ной стоимости солнечных элементов 4 доллара США на 1 Вт плюс вспомога-тельной аппаратуры 2 доллара США на 1 Вт при облученности местности 20 МДж/м2 в день и долговечности солнечных батарей 20 лет стоимость выра-батываемой ими электроэнергии составляет примерно 16 центов США за 1 кВт ⋅ ч

 

(4,4 цента за МДж). Это вполне конкурентоспособно с электроэнергией, выра-батываемой дизельгенераторами, особенно в отдаленных районах, где стои-мость 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. 3 и включают в себя: Б - солнечную батарею с приборами контроля и управления; А - аккумуляторную батарею; И - инвертор для преобразования постоянного тока солнечной батареи в переменный ток промышленных пара-метров, потребляемый большинством электрических устройств.

47

 

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

 

			Б
	И		А

 

 

Рис. 3. Солнечная энергетическая установка

 

Экспериментальная установка

 

A     V

1

 

4

 

 

5

 

 

 

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

1 – солнечный модуль, состоящий из 36-ти (9х4) солнечных элементов; 2 – ам-перметр 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.

48 Порядок выполнения работы

 

а). Определение световой характеристики солнечного модуля.

 

 

1. Определение световой характеристики солнечного модуля произво-дится следующим образом:

- устанавливается источник света на прямое излучение на поверхность солнечного модуля;

- люксметром производится измерение освещенности Еср солнечного мо-дуля;

- по показаниям вольтметра определяется ЭДС вырабатываемая солнеч-ным элементом;

- проделываются аналогичные измерения при косом падении излучения на поверхность модуля, поворачивая источник света на 10, 20, 30, 40, 50 градусов.

2. Исходные данные, необходимые для расчета световой характеристики солнечного модуля, приведены в табл. 4.

3. Вычислить плотность потока излучения W (энергетическую освещен-ность), используя соотношения между лк и Вт/м2 для белого света, W = 4,6⋅10-3 · Еср.

4. Вычислить ЭДС, вырабатываемую одним солнечным элементом ЭДС-1, разделив ЭДС модуля на число элементов 36, входящих в него.

5. Все результаты занести в табл. 2.

 

 

Таблица 2

 

Результаты измерений и вычислений

Угол падения излучения, град	Еср,лк	ЭДС,В	W, Вт/м2	ЭДС-1,В

 

 

6. Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность W ( рис. 5а).

49 б). Определение вольт-амперной характеристики солнечного модуля

 

1. Для определения вольт-амперной характеристики солнечного модуля к цепи модуля подключается нагрузочный резистор (6). С помощью реостата, пе-ремещая подвижный контакт реостата, изменяется сопротивление нагрузки в цепи и производится измерение напряжения U на солнечном модуле вольтмет-ром V (3) и тока I, протекающего по цепи, с помощью амперметра А (2).

Источник света устанавливается на прямое излучение на поверхность солнечного модуля.

С ростом нагрузки увеличивается величина тока и уменьшается напряже-ние, вырабатываемое модулем.

2. Исходные данные для расчета вольт-амперной характеристики солнеч-ного модуля, приведены в табл. 5.

3. Для каждого измерения вычислить электрическую мощность в цепи РЭ=I ⋅ U .

4. Все данные занести в табл. 3.

Таблица 3

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

 

 

5. Построить вольт-амперную характеристику (график зависимости I от U) солнечного модуля при данной плотности потока излучения, значение кото-рой взять из предыдущей серии измерений (рис.5б).

6. Отметить наибольшее значение мощности, вырабатываемой солнечным модулем.

7. Определить коэффициент преобразования солнечной энергии в элек-трическую Кф = W / Рэ.

50 а) б)

 

Рис. 5. Характеристики солнечного модуля.

 

 

Исходные данные

Таблица 4

Угол падения излучения, град	Вариант задания
I	II	III	IV	V
Еср, лк	ЭДС, в	Еср, лк	ЭДС, в	Еср, лк	ЭДС, в	Еср, лк	ЭДС, в	Еср, лк	ЭДС, в
		17,3		17.0		16.8		16.0		15.8
		16,5		16.2		16.0		15.2		15.0
		15,9		15.6		15.4		14.6		14.4
		15,7		15.4		15.2		14.4		14.2
		15,5		15.2		15.0		14.2		14.0
		15,2		15.0		14.8		14.0		13.8

 

 

Таблица 5

Номер измерения	Вариант задания
I	II	III	IV	V
U, в	I, А	U, в	I, А	U, в	I, А	U, в	I, А	U, в	I, А
	1,5	0,178	2,5	0,17	2,0	0,174	1,0	0,182	3,0	0,168
	4,0	0,162	5,0	0,155	4,5	0,16	3,0	0,168	6,0	0,15
	7,5	0,142	7,5	0,137	7,0	0,14	5,0	0,15	9,0	0,127
	9,0	0,125	10,0	0,12	9,5	0,12	7,0	0,14	11,5	0,105
	11,0	0,11	12,5	0,095	12,0	0,1	9,0	0,125	13,5	0,085
	13,0	0,09	15,0	0,065	14,5	0,08	11,0	0,11	15,5	0,06

 

Тема 4. Изучение принципа преобразования энергии ветра
в электрическую энергию

 

 

Ключевыепонятия: энергия ветра, ветроэнергетические установки, ра-бочий орган ВЭУ, ветроколесо, подъемная сила, сила лобового сопротивления, ометаемая площадь, коэффициент мощности, коэффициент быстроходности.

 

Цель работы:

 

1. Изучить принцип преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

2. Ознакомиться с устройством различных типов ветроколес.

3. На основании экспериментальных данных определить коэффициент мощности ветроэнергетической установки.

 

Содержание работы

 

1. Ознакомиться с теоретической частью, основными понятиями и опре-делениями.

2. На основании полученных теоретических знаний выполнить необхо-димые расчеты.

3. Внеаудиторная работа предполагает дополнительную проработку тео-ретических вопросов, а также доработку и оформление результатов практических занятий.

 

Общие сведения

 

 

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является энергией Солнца преобразованная в механическую энергию.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую энергию, называются ветроэнергетическими ус-тановками (ВЭУ) или ветроустановками.

Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка

 

цен на нефть в 1973 году интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 70-х-начале 80-х годов на современном техническом уровне. При их строительстве широко использо-вались последние достижения аэродинамики, механики и микроэлектроники для контроля и управления ими.

Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направ-лениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей автономного обеспечения. Эти об-ласти применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнер-гетические установки.

При правильной организации использования ветроэнергетики такой де-шевый и неиссякаемый источник энергии, как ветер, может удовлетворить большую часть потребностей в любой отрасли народного хозяйства. Установки, преобразующие энергию ветра в электрическую, тепловую и механическую, могут обеспечить:

- автономное энергоснабжение различных локальных объектов (ороси-тельные системы, механизмы животноводческих ферм, вентиляцию, устройства микроклимата и т.п.);

- горячее водоснабжение, отопление, энергообеспечение холодильных аг-регатов;

- подъем воды для садовых участков, на пастбищах и т.п.;

- откачку воды из систем вертикального и горизонтального дренажа и прочих систем.

По сравнению с другими видами источников энергии ветроэнергетиче-ские установки имеют следующие преимущества:

- отсутствие затрат на добычу и транспортировку топлива;

- снижение более чем в 10 раз трудозатрат на сооружение ветроэнергети-ческой установки по сравнению со строительством тепловых или атомных станций;

- широкий технологический диапазон прямого использования энергии ветроустановок (автономность или совместная работа с централизованными се-тями, совместимость с другими источниками возобновляемой энергетики и т.п.);

- минимальные сроки ввода мощностей в эксплуатацию;

- улучшение экологической обстановки за счет снижения уровня загряз-нения окружающей среды.