На головну

Сила лобового опору.

  1. Аналіз простих резистивних ланцюгів з використанням поняття вхідного опору.
  2. ДЛЯ Квадратичне ОБЛАСТІ ОПОРУ. ФОРМУЛА Шезі. МОДУЛЬ ВИТРАТИ І МОДУЛЬ ШВИДКОСТІ
  3. Коефіцієнт гідравлічного опору. Методика його визначення в різних режимах руху.
  4. Коефіцієнт магнітної провідності лобового розсіювання 1 сторінка
  5. Коефіцієнт магнітної провідності лобового розсіювання 2 сторінка
  6. Коефіцієнт магнітної провідності лобового розсіювання 2 сторінка
  7. Коефіцієнт магнітної провідності лобового розсіювання 3 сторінка

Ідеальна ветроустановка, що використовує силу лобового опору, являє собою пристрій, робочі поверхні якого переміщаються паралельно вектору швидкості набігаючого потоку (рис. 2.7).

Мал. 2.7. Принципова схема електроустановки, що використовує силу лобового опору

Різниця тисків на передній і задній поверхнях пластинки, розташованої перпендикулярно набігаючого потоку, при ігноруванні кінцевих ефектів визначаються рівнянням (2.20). Якщо пластинка площею А переміщається зі швидкістю v, То діюча на неї максимальна сила лобового опору дорівнює

 (2.35)

У реальних установках сила опору FD відрізняється від (2.35), і ця відмінність враховується безрозмірним коефіцієнтом СD, а саме:

 . (2.36)

Енергія передається платівці дорівнює:

 . (2.37)

Максимальне значення цієї енергії досягається при v = u0/ 3 і так само:

 . (2.38)

Коефіцієнт потужності Ср визначається з (2.15):  , Звідки:

 . (2.39)

Значення коефіцієнта лобового опору CD залежить від форми обтічного тіла і змінюється практично від нуля до 1,5, як, наприклад, для увігнутих чашок стандартного анемометра. Відповідний цьому значенню CD коефіцієнт потужності CP дорівнює:

 (2.40)

Нагадаємо, що за критерієм Бетца коефіцієнт потужності ідеального вітроколеса дорівнює 59%. Вітроколеса, що використовують підйомну силу, мають коефіцієнт потужності порядку 40% і вище, т. Е. Досить близький до граничного значення. Отже, при однакових перетинах потоку, що набігає у вітроколіс, що використовують силу опору, значення коефіцієнта потужності майже в 3 рази менше, ніж у вітроколіс, що використовують підйомну силу, і ця різниця ще більш зростає через зворотних переміщень лопатей в першому випадку. Кілька збільшити ККД вітроколіс драг - машин можна за чет збільшення числа лопатей і використання напрямних апаратів, однак на практиці перший спосіб не завжди прийнятний через взаємного впливу лопатей один на одного, що знижує ККД. Тому найбільш ефективним способом підвищення ККД таких вітроустановок є спільне використання сили опору і підйомної сили, що і реалізується в деяких конструкціях ротора Савоніуса.

19. принцип перетворення енергії вітру в механічну і

електричну енергії. Коефіцієнт потужності ВЕУ,

коефіцієнт гальмування повітряного потоку.

Перетворення енергії вітру.За відсутності турбулентності обсяг повітря, що проходить в одиницю часу через поперечний переріз вітроколеса площа А (через ометаемую площа) (рис. 2.3) має кінетичної енергією, яка дорівнює

Рис 2.3 Модель взаємодії вітрового потоку з ветроколесом

 . (2.2.)

Тут r і u0 - Щільність і швидкість набігаючого повітряного потоку. Таким чином, Р0 є енергія вітрового потоку.

Щільність повітря r залежить від висоти і метеорологічних умов. Швидкість вітру збільшується з висотою, залежить від місцевих географічних умов і в будь-якому випадку сильно змінюється в часі. Будемо вважати швидкість u0 і щільність r постійними в часі і в будь-якому поперечному перерізі розглянутого повітряного потоку. На рівні моря щільність повітря дорівнює приблизно 1,2 кг / м3, А необхідна для ефективної роботи вітроустановок швидкість вітру - близько 10 м / с. При цих умовах розташовується енергія вітру Р0 = 600 Вт / м2. Таблиці 2.1 і 2.2 дають уявлення метеорологічних умовах, а в x 2.7 розглянута залежність їх ефективності від характеру вітру.

Допущення. У теорії вітроколеса передбачається, що проходять через нього лінії струму не терплять розриву, а саме колесо замінюється тонким проникним диском, при взаємодії з яким повітряний потік віддає йому частину енергії, в результаті тиск в потоці і його імпульс зменшуються. Крім того, в процесі взаємодії в набігає ламінарний потік вносяться різні обурення, але тут ми ними нехтуємо. Така модель, незважаючи на цілий ряд припущень, надзвичайно корисна.

На рис. 2.4 А1 - Площа, ометаєма ветроколесом, А0 і А2 - Площі поперечних перерізів проходить через вітроколесо вітрового потоку відповідно до і за ним, причому перетин А0 розташоване за межами обуреної ветроколесом області, а перетин А2 - В місці найменшої швидкості потоку. Положення площі перетинів А0 і А2 можна визначити за результатами експериментальних вимірювань поля швидкостей в околиці вітроколеса. Безпосередньо в перерізі А1 провести такі вимірювання неможливо з - за обертання вітроколеса.

Діюча на вітроколесо сила F1 дорівнює зміні кількості руху маси проходить через нього в одиницю часу повітря m, т. е. можна вважати, що:

 . (2.3)

Ця сила діє на вітроколесо з боку протікає через нього повітряного потоку, який можна вважати однорідним і має швидкість u1. Потужність, що розвивається цією силою, т. Е. Потужність вітроколеса:

 . (2.4)

Але ця потужність Р є енергія, що втрачається в одиницю часу вітровим потоком, взаємодіє з ветроколесом, яка дорівнює:

 . (2.5.)

Прирівнюючи їх один до одного, отримуємо:

 (2.6.)

звідки

 . (2.7.)

Таким чином, з лінійної теорії слід, що швидкість повітряного потоку в площині вітроколеса не може бути менше половини швидкості набігаючого потоку.

Маса повітря проходить через перетин А1 в одиницю часу, дорівнює:

 . (2.8.)

Тоді (2.4) приймає вигляд:

 , (2.9)

а після заміни u2 з (2.7) остаточно

 . (2.10)

Висловимо через коефіцієнт гальмування потоку а відносне зменшення у ветроколесе швидкості набігаючого потоку:

 . (2.11)

тоді:

 . (2.12)

З урахуванням (2.7):

 . (2.13)

Коефіцієнт а називають також коефіцієнтом індукції або обурення.

підставляючи u1 з (2.12) в (2.10), отримуємо:

 . (2.14)

Порівнюючи цей вираз з (2.2), маємо:

,(2.15)

де Р0 - Потужність, що набігає вітрового потоку; Зр - Частина цієї потужності, що передається вітроколеса, або коефіцієнт потужності, рівний:

 . (2.16)

Замість коефіцієнта а іноді використовують коефіцієнт -b = u2/ u0, Також званий коефіцієнтом гальмування потоку (див. Задачу 2.2).

Максимального значення коефіцієнт Ср досягає при а = 1/3 (рис. 2.6):

Мал. 2.4. Залежність коефіцієнта потужності Зр від коефіцієнта гальмування потоку а

 , (2.17)

т. е. в кращому випадку лише трохи більше половини енергії набігаючого вітрового потоку можна використовувати в вітроустановці. Це пояснюється тим, що повітряний потік повинен мати певну кінетичну енергію, щоб покинути околиця вітроколеса. Умова (2.17) називається критерієм Бетца, яке справедливо для будь-якої енергетичної установки, обтічної вільним потоком рідини або газу, наприклад для приливних станцій. У традиційних гідростанціях турбіна обтекается не свободних, а обмеженим стінками водоводу потокам, тому цей критерій тут не застосуємо. У кращих промислових аерогенераторах коефіцієнт потужності досягає 0,4. Так як максимальне значення коефіцієнта потужності дорівнює 0,59, можна вважати, що ККД таких генераторів дорівнює 0,4 / 0,59 = 68%.

Коефіцієнт потужності Зр характеризує ефективність використання вітрогенератором енергії повітряного потоку, що проходить через ометаемую ветроколесом площа А1. У невозмущенной області вгору за течією площа поперечного перерізу цього потоку дорівнює А0 (Див. Рис. 2.3). Питома потужність вітрового потоку, т. Е. Потужність, що знімається з одиниці його поперечного перерізу, буде більше, якщо поперечним перерізом вважати перетин А0, А не А1, Так як А01. Можна показати (див. Задачу 2.3), що питома потужність в цьому випадку, використовувана вітроустановкою, складе 8/9 питомої потужності вітрового потоку, т. Е. Максимальне значення ККД ВЕУ дорівнює 89%. Цю особливість у визначенні ККД слід пам'ятати при зіставленні питомих показників вітроустановок різних типів.

Рис 2.5. Лобове тиск на вітроколесо.

u - швидкість вітрового потоку; р - тиск; z - висота; FA - Осьова навантаження D р - перепад тисків

Частка енергії, що передається вітроколеса повітряним потоком, - так званий коефіцієнт потужності Зр - Визначена в розділі 2.3. величина Cр в робочому діапазоні швидкості вітру залежить в основному від швидкохідності вітроколеса Z. Вибір характеристик вітроколеса для вітроустановки в конкретних вітрових умовах визначається тими цілями, які перед нею ставляться. Звичайно керуються одним з двох вимог: 1) максимізувати виробництво енергії за рік, щоб, наприклад, зменшити споживання палива тепловими електростанціями єдиної енергосистеми, або 2) забезпечити виробництво певного мінімуму енергії навіть при слабкому вітрі, щоб, наприклад, зберегти працездатність насосів системи водопостачання. Крім того, при виборі характеристик вітроколеса слід враховувати характеристики агрегатів - генераторів, насосів і т. Д., З якими вони безпосередньо стикуються.

Енергією, переданої вітровим потоком вітроустановці, є енергія на валу вітроколеса. нехай Е - Енергія потоку, передана вітроколеса за час Т, а Еu - Частина тієї енергії, передана вітровим потоком зі швидкістю u в одиничному швидкісному інтервалі. тоді:

 , (2.50)

де ФU - Функція розподілу ймовірності швидкості вітру.

U0, М / с

Мал. 2.11. Режими роботи вітроустановки (суцільна крива - стандартна характеристика, штрихова - реальна характеристика більшості установок):

1 - включення; 2 - розрахункова швидкість; 3 - вимикання

Якщо щільність повітря вважати постійної, то середня потужність на валу вітроколеса:

 . (2.51)

Щоб обчислити значення цього інтеграла, треба знати залежність коефіцієнта Ср від швидкості набігаючого потоку. Для цього розіб'ємо, як зазвичай роблять весь швидкісний діапазон на чотири характерних ділянки (рис. 2.11).

1) Швидкість вітру менше швидкості uci, При якій вітроустановка включається. У цьому діапазоні:

Eu= 0 . (2.52)

2) Швидкість вітру більше номінальної швидкості uR, Тут:

Eu = ФU > URPRT,  (2.53)

де PR - Розрахункова (проектна) вихідна потужність.

3) Швидкість вітру більше швидкості uci , При якій вітроустановка відключається, тоді:

Eu= 0. (2.54)

На практиці більшість вітроустановок при сильному вітрі не відключається, а продовжує працювати, але з низькою ефективністю.

4) Швидкість вітру - в інтервалі uci-uR . Вихідна потужність в цьому діатазоне залежить від швидкості вітру і типу вітроколеса. Для більшості вітроустановок ця залежність має вигляд:

P »a u30 - bPR (2.55)

де a і b - константи, які визначаються з умов:

а) в момент включення вітроустановки Р = 0 , Тому:

u3ci = bPR / a ;

б) при розрахунковій швидкості P = PR, Звідки:

u3ci = (1 + b) PR / a .

Звідси випливає

(uci / uR)3= B / (1 + b). (2.56)

Таким чином, коефіцієнти a і b важливо висловити через параметри uci, uR и PR.

На практиці вітроустановки часто доводиться працювати в малоефективним діапазоні швидкостей.

Великими втратами енергії супроводжуються обмеження, що накладаються на режим роботи вітроустановки при високих швидкостях вітру.

У режимі вітроустановки можна виділити два граничних режиму (рис. 2.12)

1) Режим з постійним коефіцієнтом швидкохідності Z і, отже, з постійним коефіцієнтом потужності Cр. при постійному Cр і заданому діапазоні швидкостей вітру з (2.51) слід

 . (2.57)

2) Режим з постійною частотою обертання вітроколеса і, отже, зі змінною коефіцієнтом Ср.

На рис 2.12. б, в коефіцієнт потужності Зр представлений у вигляді функції від швидкості набігаючого потоку u0. В цьому випадку потужності вітроколеса можна визначити чисельним інтеграцією. У режимі з постійною частотою обертання, як видно з рис. 2.12. в, Не при всіх швидкостях вітру його енергія перетворюється ефективно. Це особливо відчутно

Мал. 2.12. Залежності коефіцієнта потужності Зр від швидкохідності Z (а), швидкості вітру при постійній швидкохідності (б), швидкості вітру при постійній швидкості обертання вітроколеса (в):

1 - включення; 2 - розрахункова швидкість. Заштрихованная область відповідає втрати потужності через сталості Z

при швидкостях вітру, значно перевищують швидкість, відповідну максимальному значенню Ср.

20. сонячні колектори з тепловими трубами.

Сонячні колектори з тепловими трубами. Ці пристрої розроблені не так давно. Як відомо, теплова труба являє собою Вакуумований герметичний пристрій у вигляді труби або плоского каналу з поздовжніми канавками або капілярно-пористим тілом - гнітом на внутрішній поверхні каналу, частково заповненого робочою рідиною. При підведенні теплоти рідина в одній частині труби - испарительной зоні - випаровується і утворюються пари переносяться в зону відведення теплоти (зона конденсації), де вони конденсуються і по капілярної структурі рідина повертається в зону випаровування.

Можливий широкий вибір робочих рідин: дистильована вода, ацетон і холодоагенти при низьких температурах. У тепловій трубі без гніту, званої термосифонного, повернення конденсату в зону випаровування відбувається під дією сили тяжіння, тому теплова труба цього типу може працювати лише за умови розташування зони конденсації вище зони випаровування. Для КСЕ з тепловою трубою характерні: висока щільність потоку інформації, що передається теплоти і компактність пристрою, передача теплоти в одному напрямку, відсутність витрати енергії на перенесення середовища, передача теплоти при малій різниці температур, саморегулівної. Оскільки в низькотемпературних геліотермічних установках використовуються в основному плоскі КСЕ, в них доцільно використовувати плоскі теплові труби - термосифонного. Вибравши належним чином заповнювач, можна повністю виключити проблеми, пов'язані з корозією і замерзанням системи. На малюнку 2.10. показаний приклад конструктивного виконання КСЕ з тепловою трубою. Маса КСЕ 25 кг на 1 м2 площі поверхні.

У тепловій трубі використовується фазове перетворення в теплоносії. Це перетворення створює враження більшого числа теплової енергії рідини, що нагрівається, ніж в звичайних гелеоколлекторах. У тепловій трубі, зображеної на рис. 4,26 використовується вакуумна технологія для зниження конвективних тепловтрат. Поверхня абсорбера має селективне покриття, яке дозволяє зменшити радіаційні втрати. В цілому такий геліоколектор має високий ККД і дозволяє нагріти рідину до температури вище 100 С (рис. 4,26 і 4,27)

21. селективні приймачі сонячного випромінювання. конструкція і

принцип роботи.

Ідеальні селективні поверхні.Максимум енергії сонячного випромінювання, що поглинається приймачем, відповідає довжині хвилі, що дорівнює приблизно 0,5 мкм; максимум енергії, випромінюваної приймачем, - довжині хвилі 10 мкм. Ідеальна поверхня приймача повинна по можливості поглинати якомога більше енергії і зводити до мінімуму втрати, т. Е. Поверхня повинна мати великий монохроматический коефіцієнт поглинання al при l ~ 0,5 мкм і низький монохроматический коефіцієнт випромінювання el при l ~ 10 мкм (рис. 2.16). Для селективної поверхні справедливо ashort>> elong. В цьому випадку a і e є середні значення al і el відповідно в межах різних інтервалів довжин хвиль.

Мал. 2.16. Спектральні характеристики різних поверхонь. Наведено криві для металу Cu (крива 1) і напівпровідника Cu2O (2). Штрихова крива - ідеальна селективна поверхню

Структура метал-напівпровідник.Деякі напівпровідники характеризуються близькими до необхідного для ідеальної селективної поверхні ставленням al / el . Напівпровідники можуть поглинати тільки фотони з енергіями, великими ширини забороненої зони Eg, Т. Е. Енергії, необхідної для переходу електрона з валентної зони в зону провідності. порогова енергія Eg відповідає довжинах хвиль, приблизно рівним 1,1 мкм для Si і 2 мкм для Cu2O, коротші хвилі сильно поглинаються (рис. 2.16). Однак низька механічна міцність, низька теплопровідність і висока вартість напівпровідників роблять їх мало придатними для виготовлення всього приймача сонячного випромінювання.

Метали міцні, добре проводять тепло і відносно дешеві, але, на жаль, добре відображають (т. Е. Слабо поглинають) випромінювання у видимій та інфрачервоній областях спектру.

Взаємодія електронів провідності з падаючим на поверхню металу електромагнітним випромінюванням призводить до зміни частоти коливань електронів поблизу поверхні. В результаті цього більша частина енергії, придбаної електронами від електромагнітного поля, випромінюється у вигляді вторинних хвиль, які, складаючись, створюють відбиту хвилю. Енергія відбитої хвилі не надто різниться від енергії падаючої, тому зовнішньому спостерігачеві здається, що падає на поверхню металу випромінювання відбивається. Так, для l >> 1 мкм rl»0,97, т. Е. Al= el»0,03 (рис. 2.16).

Для деяких металів характерно підвищення коефіцієнта поглинання при довжинах хвиль падаючого випромінювання нижче певної довжини хвилі lр. Для міді lр»0,5 мкм (рис. 2.16), тому мідь поглинає в синьої області сильніше, ніж в червоній, і здається червонуватою. Довжина хвилі lр відповідає плазмової частоті fp = с/ lр. Збільшення частоти падаючого випромінювання вище плазмової призводить до порушення плазмових коливань електронів, при цьому коефіцієнт поглинання металу a зростає для f ? fp.

Мал. 2.17. Теплові потоки для одного типу селективних поверхонь. Шар напівпровідника (сильно поглинає короткохвильове сонячне випромінювання) завдано на металеву поверхню (слабо випромінює в довгохвильовому діапазоні спектра)

Якщо шар металу покрити тонким шаром напівпровідника, їх характеристики можна скомбінувати. На рис. 2.17 показана схема процесу поглинання короткохвильового випромінювання (сильно поглинається в напівпровіднику), що приходить на поверхню шару напівпровідника, і передачі тепла металевій підкладці. Товщина шару напівпровідника визначається, з одного боку, необхідністю забезпечення ефективної теплопередачі (теплопровідність напівпровідника мала), з іншого боку - вимогою поглинання максимальної частки потоку випромінювання, щоб виключити можливість відображення від поверхні металу пройшов через напівпровідник випромінювання. Ефективна довжина поглинання в напівпровідниках при l = 0,6 мкм зазвичай становить близько 1 мкм, т. Е. 63% приходить випромінювання поглинається в шарі товщиною 1 мкм і 95% - в шарі 3 мкм, отже, коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання досить високий. Випромінювальна здатність як металу, так і напівпровідника на довжинах хвиль близько 10 мкм невелика (e »0,1, як, наприклад, на рис. 2.17).

Отримана в результаті складна поверхня має більш низький рівень радіаційних втрат, ніж проста чорна поверхня, яка є чорною і для видимого, і для інфрачервоного випромінювання і тому має a = e »0,9. Коефіцієнт поглинання селективної поверхні не такий високий, як чорної, оскільки al такій поверхні зменшується для l ? 1 мкм (рис. 2.16), а 30% сонячного випромінювання доводиться на діапазон l> 1 мкм. Низька випромінювальна здатність селективної поверхні збільшується при підвищенні температури, при цьому зростають і радіаційні втрати (пропорційно eТ4). Так, при температурі поверхні 40 ° С і e> 0,9 радіаційні втрати зазвичай складають близько 20% повних втрат тепла (приклад 2.1), однак при температурі поверхні 400 ° С вони складуть вже 50%, якщо e = 0,9, і тільки 10%, якщо e = 0,1.

Для отримання селективної поверхні мідну пластинку занурюють в лужний розчин, при цьому на її поверхні утворюється плівка Cu2O. На рис. 2.16. показані абсорбція характеристики такої поверхні, виготовленої промисловим способом.

У лабораторних умовах отримані різні селективні поверхні, але використовувати можна лише деякі з них, так як одні занадто дорогі, інші занадто тендітні або з погано відтворюваними параметрами; іноді характеристики поверхонь змінюються з часом (процес називається "старінням"). Для деяких селективних поверхонь, відмінних від описаної структури Cu / Cu2O, можуть бути істотні інтерференція хвиль в тонких плівках, багаторазові відображення на шорсткостях поверхні металу.

Найкращі результати отримані з чорним хромом на алюмінієвій фользі (ashort= 0,964 і elong= 0,023) і з чорним нікелем на блискучій нікелевої підкладці (ashort = 0,96 і elong = 0,11).

В даний час досягнуті значення ступеня селективності, т. Е. Ashort/ elong= 10-20. При ступеня селективності 20-40 рівноважна температура лучепоглощающей поверхні колектора досягає 350-600 ° С. На скління може бути нанесено антіотражательное покриття з діоксиду індію. На полірованій поверхні металевого листа, що володіє високою відбивною здатністю і, отже, низьким значенням elong, Можна нанести шар сажі, при цьому коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання ashort зросте до 0,96.

Виготовлення селективних поверхонь обходиться дорожче, ніж проста фарбування поверхні приймача в чорний колір. Внаслідок цього, а також через

низького коефіцієнта поглинання при невисоких температурах такі поверхні в даний час недоцільно використовувати для приймачів, що працюють при температурах нижче 60 ° С. Однак при температурах, що становлять сотні градусів Цельсія (наприклад, в сонячних вежах, потрібні селективні поверхні, які здатні протягом декількох років зберігати досить високим відношення ashort/ elong, Наприклад, рівним 30.

 



Фізичні основи виникнення вітрової енергії. Процеси при виникненні гірського вітру і морського бризу. | вакуумовані приймачі

Приливні і гідроакумулюючі електростанції. Конструкція і принцип роботи. Вплив на екологію. | Сонячний ставок. Принцип отримання теплової та електричної енергії. Привести схему отримання електроенергії. | Енергія вітру. Шкала Бофорта. Перспективи використання вітрової енергії. Вплив вітрових станцій на навколишнє середовище. | Перспективи використання ВЕУ | Опріснення води за допомогою сонячної енергії. Конструкція і схема заміщення сонячного дистилятора. | Сонячні опалювальні системи. Рівняння теплового балансу. | Геотермальна енергія. Принцип роботи геотермальної електростанції по функціональної блок-схемі. Порядок розробки геотермального джерела. | Сонячні опалювальні системи. рівняння теплового балансу. Активні сонячні системи. | Сушка продукції з використанням сонячного випромінювання. Конструкції і принцип роботи геліосушільних агрегатів. | Підігрівачі повітря з використанням сонячного випромінювання. Конструкції, принцип роботи і еквівалентна діаграма нагрівача. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати