Региональный конкурс исследовательских и творческих работ

1
Региональный конкурс исследовательских и творческих работ школьников
«Шаг в будущее»
Секция: физика и астрономия
Тема: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио – установки, как
альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович
Страна: Россия,
Забайкальский край
п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка
11 класс.
Научный руководитель:
Казанцева Виктория Анатольевна,
учитель физики высшей
квалификационной категории.
МОУ СОШ. п. Новопавловка
п. Новопавловка, 2010
2
Тема проекта: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио –
установки, как альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович, Страна: Россия, Забайкальский край, п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка, 11 класс.
Краткая аннотация
Данный научно – исследовательский проект посвящён альтернативным источникам
энергии XXI века. В проекте отражена идея разработки инновационной солнечной
электростанции, которая позволила бы, не загрязняя окружающую среду и практически не
расходуя природных ресурсов, обеспечить людей электроэнергией.
В проекте представлена идея выработки электрического тока, благодаря солнечному
свету и двигателю внешнего сгорания – двигателю Стирлинга в паре с генератором,
расчёты эффективности работы данной электростанции, и изложена причина, по которой
данная разработка должна вызвать интерес в мире энергетики.
3
Тема проекта: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио –
установки, как альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович, Страна: Россия, Забайкальский край, п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка, 11 класс.
Содержание:
Краткая аннотация
Аннотация
План исследования
Научная статья
Глава 1. Солнце. Солнечное излучение.
1. 1 Световое солнечное излучение, его значение в жизни
человечества.
Глава 2. «Солнечная пушка». От разработки до применения.
2.1 Перенос и распределение лучистой энергии в концентрирующих системах
2. 2 Модель солнечной установки
2. 3 Расчёт технических характеристик системы
2. 4 Перспективы использования
Глава 3. Двигатель внешнего сгорания – двигатель Стирлинга.
3.1 Описание
3. 2 Преимущества
4
Глава 4. Синтез «Солнечной пушки» и двигателя Стирлинга. Солнечная
электростанция.
4.1 Солнечная электростанция
Заключение
Список литературы
Приложение I. Иллюстрации к проекту
Приложение II. Диаграмма "давление-объём" идеализированного цикла Стирлинга
Приложение III. Цикл Стирлинга.
Приложение IV. «Модель двигателя внешнего сгорания – двигателя Стирлинга»
Приложение V. «Видео демонстрация работы солнечной установки»
5
Тема проекта: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио –
установки, как альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович, Страна: Россия, Забайкальский край, п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка, 11 класс.
Аннотация
Энергетика для нашего общества играет огромную роль, без неё не представляется
жизнедеятельность современного общества. Энергия, а в частности электричество,
выполняет
очень
важные
функции.
Разряд
электрического
тока
даёт
толчок
человеческому сердцу, возвращая человека к жизни. Электрический ток питает малые
сёла и большие мегаполисы. Если обесточить энергосети города на 10 минут, – он заснёт
мгновенно, отключи энергию навсегда – и город умрёт.
Цена, которую мы платим за электроэнергию, на самом деле намного больше, чем
кажется. Прежде всего, электроэнергетика засоряет окружающую среду, выбрасывая в
неё миллионы тонн углекислого газа, который образуется от сжигания угля, древесины,
нефти, газа.
Цель проекта: найти оптимальный способ выработки электроэнергии, который бы
тратил мало природных ресурсов и оставался экологически чистым.
При создании проекта были использованы такие методы, как изучение и системный
анализ документации и справочной литературы по электроэнергетики и солнечному
излучению, метод научного моделирования и практического конструирования.
Полученные данные: в ходе исследовательской работы, была спроектирована
модель установки по концентрированию солнечной энергии, а затем и сконструирована
сама установка; проведены практические испытания, данного изобретения, результаты
которых описываются в проекте и наглядно отражены в приложениях.
В результате проделанной исследовательской работы были сделаны следующие
выводы: солнечная электростанция – это идеальный на наш взгляд сегодня источник
электроэнергии, что обуславливается её экологичностью и не истощаемой сырьевой
базой. Перспективы развития солнечной электроэнергии очень велики, и в ближайшем
будущем
непременно
начнутся
их
разработки.
Для
нас,
наибольший
интерес
представляют электростанции, состоящие из отдельных модулей. В таких системах
эффективным окажется использование двигателей Стирлинга и гелио – концентраторов.
6
Тема проекта: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио –
установки, как альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович, Страна: Россия, Забайкальский край, п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка, 11 класс.
План исследования
Проблема: энергетика стран затрачивает огромное количество ресурсов для
реализации потребностей человечества. Кроме того, отходы таких предприятий
загрязняют окружающую среду. Уже сегодня требуется найти альтернативный выход из
такой ситуации, так как «завтра» могут иссякнуть природные ресурсы или люди начнут
задыхаться от выбросов СО2 в атмосферу.
На наш взгляд решением данной проблемы являются альтернативные источники
энергии, один из которых, будет рассмотрен в данном проекте.
Гипотеза: если старые способы выработки электроэнергии изживают себя в новом
веке, постепенно становясь неактуальными и нерациональными по использованию, то
альтернативные источники энергии будут достойной им заменой.
Описание методов: примененный в ходе выполнения исследовательской работы
метод изучения и
системного анализа документации и справочной литературы по
электроэнергетики и солнечному излечению позволил понять, какой способ выработки
электроэнергии будет являться оптимальным для человечества, технические данные,
полученные в ходе изучения, помогли в дальнейшем сделать необходимые расчёты;
Методом научного моделирования и практического конструирования была вначале
спроектирован концентратор светового солнечного излучения, а затем и воссоздана его
рабочая модель.
Предмет исследования: Альтернативные источники энергии.
Объект исследования: Солнечная электростанция на основе гелио – установки и
двигателе Стирлинга.
Актуальность исследовательской работы. Энергия – не только один из чаще всего
обсуждаемых сегодня понятий; Помимо своего основного физического содержания оно
имеет многочисленные экономические, технические, политические аспекты. Человечеству
нужна энергия, при этом потребности в ней возрастает с каждым годом.
Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса
атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и
7
ограниченность
топливных
ресурсов
с
всё
нарастающей
остротой
показывают
неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они
экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.
Главная цель проекта - разработать альтернативный источник энергии, который не
будет загрязнять окружающую среду, а будет оптимально расходовать природные
ресурсы. В проекте рассматривается возможность выработки энергии из солнечного света,
а такой способ является экологически. Таким образом, важность и актуальность
проблемы, её недостаточная практическая разработанность, послужили основанием для
выбора темы исследовательской работы.
Для достижения поставленной цели были сформированы следующие задачи:
1) изучить свойства солнечного излучения;
2) разработать установку, для концентрации солнечного света;
3) сделать расчёты по мощности установки;
4) реализовать
конвертацию
концентрированного
солнечного
света
в
электроэнергию;
5) предложить разработку инновационной солнечной электростанции.
Библиография
Научной основой исследовательской работы стали следующие материалы материалы:
1)
В. М. Андреев, В. А. Грилихес, В. Д. Румянцев. Фото – электрическое
преобразование концентрированного солнечного излучения.- Л.: Наука, 1989. – 310 с.;
2) Алферов Ж.И. Фотоэлектрическая солнечная энергетика / В сб.: Будущее науки. М.:
Знание, 1978. С. 92 - 101.;
3) Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.- 145 с.;
8
Тема проекта: Солнечная электростанция на основе двигателя Стирлинга и гелио –
установки, как альтернативный источник энергии.
Жабин Иван Владимирович, Страна: Россия, Забайкальский край, п. Новопавловка
МОУ СОШ п. Новопавловка, 11 класс.
Научная статья
Глава 1. Солнце. Солнечное излучение.
Что такое солнце? Человек, не задумываясь, может ответить – это звезда, и он,
конечно, окажется прав. Но солнце для нас – это не просто звезда, солнце – это главный
источник жизни на Земле.
Солнце - это чудовищных размеров атомная "печь". Причем температура по мере
приближения к ядру возрастает приблизительно с 6000 градусов до 15 миллионов
градусов. Это необходимые условия для термоядерных реакций, в результате которых
выделяется столь необходимая Земле энергия, без которой на нашей планете не было б
жизни.
На солнце возложены важные функции по поддержанию жизни на Земле. Благодаря
солнечному свету протекает фотосинтез в листьях растений. Солнце согревает планету,
не давая наступить ледниковому периоду, и многое другое делает оно для нас, для нашей
планеты...
1.1 Солнечное излучение, его значение в жизни человечества, жизни на Земле.
Излучение Солнца — основной источник энергии на Земле. Его мощность
характеризуется солнечной постоянной — количеством энергии, проходящей через
площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в
одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли). Эта постоянная равна
приблизительно 1370 Вт/м².
Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно
370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м² (при ясной погоде и когда
Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных
и искусственных процессах. Например, растения с помощью фотосинтеза перерабатывают
её в химическую форму (кислород и органические соединения). Прямое нагревание
солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть
использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или
выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом
получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.
9
Одной из особенностей солнца, является возможность в выработке электрической
энергии, путём конвертации солнечного света в электрический ток. Основным фактором,
который отвечает за эффективность выработки энергии,
является яркость солнца,
количество энергии, сила света, а так же его светимость. Произведём расчёты данных
величин:
Ф (световой поток солнца) = 3,75×1028 Лм (люмен);
Е (количество энергии) = 1000 Вт/м²;
I (сила света) =
= 3,75×1028 / 4 × 3,14 =
= 0,298415518297303754×107 Н;
L (яркость солнца) = 2,009×107 Вт/м²/ср
Таким образом, солнце может стать незаменимым помощником человеку по
выработке электрической энергии. Но сама по себе энергия вырабатываться не будет. Для
того чтобы солнечный свет преобразовать в электричество, нужно пользоваться
специальными аппаратами – конверторами, которые преобразуют солнечное излечение в
электроэнергию. Примером может служить солнечная батарея, но она, как показывает
практика,
малоэффективна. Для того что бы эффективно реализовывать солнечную
энергию в электрическую, предлагается установка, рассмотренная во второй главе.
Вывод по главе: Солнце – звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя
звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной
величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность - это "наша звезда", и
человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило
поставляет Земле мощность около 1017 Вт - такова сила "солнечного зайчика" диаметром
12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты.
Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в
зените, составляет 1 кВт/м2. При разработке высокоэффективных методов преобразования
солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в
течение многих сотен лет.
Глава 2. «Солнечная пушка». От разработки до применения.
С давних пор человечество начало использовать Солнце в своё благо. Ещё в 287 году
до н. э., во время осады римский флот был сожжён защитниками города, которые при
10
помощи зеркал и отполированных до блеска щитов сфокусировали на них солнечные лучи
по приказу Архимеда.
Суть разработки данной «солнечной пушки» - устройства по концентрации
солнечного света, заключается в возможности преобразования солнечного излучения в
тепловую энергию. Установка в синтезе с конвертером тепловой энергии в электрическую
может вырабатывать электрический ток.
Данное явление, получение тепловой энергии путём концентрации солнечного света
не должно быть оставлено без внимания. Выработка электроэнергии с помощью солнца,
это полезно и актуально для нынешней энергетики.
Безусловно, данная область требует инновационных разработок и научно исследовательского подхода. В данной главе рассматривается установка концентрации
солнечных лучей путём их собранного в пучок отражения.
2.1 Перенос и распределение лучистой энергии в концентрирующих системах
Серьёзным
препятствием
на
пути
эффективной
реализации
высокого
энергетического потенциала солнечного излучения является его низкая плотность,
обусловленная большой удалённостью Земли от Солнца. Преодолеть это противоречие
можно лишь путём концентрирования излучения, позволяющего в совокупности с
другими мероприятиями приблизить КПД преобразователя солнечной энергии к
термодинамическому пределу.
Применение
эффективность
концентраторов
установки,
эксплуатационные
но
показатели
позволяет
так
же
засчёт
не
только
улучшить
её
уменьшения
поднять
энергетическую
энергоэкономические
расхода
и
дефицитных
полупроводниковых материалов, снижения стоимости и массы, повышение устойчивости
к действию внешних факторов.
Расчёт распределения плотности сконцентрированного излучения на поверхности
электропреобразователя и определение оптимальной концентрирующей системы для
реализации требуемого распределения – достаточно сложные задачи, решение которых
должно осуществляться на единой методологической основе, до сих пор находящейся ещё
в стадии формирования.
11
2. 2 Модель солнечной установки
«Солнечная пушка» представляет собой параболическую антенну, поверхность
которой покрыта отражающим световой поток материалом. Приложение I. (Рисунок 1).
С его помощью солнечное излучение, падающее на установку, отражаясь от неё и
концентрируясь в фокусе, создаёт там большую температуру.
Концентрацию солнечных лучей обеспечивает параболическая форма отражающей
поверхности, таким образом, лучи собираются в одной точки – в фокусе параболоида.
С помощью данной установки, в зависимости от характеристик, можно получить
очень высокую температуру, выше 3,5 тыс. градусов Цельсия, температура меняется в
зависимости от размеров параболоида. Главной характеристикой данной установки,
являются отражающая площадь зеркал. В нашем случае количество зеркал, покрывших
данную установку составило 2500 шт., при их размере составляющем 2х2 см., отсюда
следует, что
Sп = (2*2) * 2500 = 10 000см2 = 1 м2 - полезная площадь параболоида составляет 1м2.
2. 3 Расчёт технических характеристик системы
Какими же характеристиками будет обладать наша система?
Чтобы узнать эти
свойства, нужно проделать следующие расчёты:
𝐸падающая на зеркало =
𝐸𝛩
𝜋𝐷2
4
𝐸𝛩
, где D = 1 м (диаметр параболоида),
= 1000Вт\м2 (количество энергии, излучаемое солнцем на квадратный метр, с учётом
потери при прохождении через атмосферу Земли).
𝐸отражённая от зеркала = 𝑠𝜎𝑇 4
, где S = 4 см2 = 0,0004 м2 (площадь отражённого
пятна),
𝜎 = 5,67 * 10-8 Вт/ (м2 * К4) (постоянная Стефана – Больцмана),
𝑇4 = ?
К, (температура в отражённом пятне, выраженная в Кельвинах)
Имея две эти энергии, мы можем их прировнять друг к другу, тем самым найдя
температуру в точке концентрации отражённых солнечных лучей, то есть температуру в
12
отражённом пятне. Но при этом нужно учесть ещё и Rз = 0,75 коэффициент отражения
света от зеркал.
После преобразований получается следующее равенство:
𝜋𝐷2
4
𝐸𝛩 𝑅з = 𝑠𝜎𝑇 4
имея данное уравнение, выражаем из него температуру в точке
концентрации солнечных лучей:
1
4 𝜋𝐷 2 𝐸
4 3.14 ∙ 12 ∙ 1000 ∙ 0.75
𝜋𝐷2 𝐸𝛩𝑅з 4
𝛩𝑅з
√
𝑇=(
= √
=
) =
4𝑠𝜎
4𝑠𝜎
4 ∙ 0.0004 ∙ 5.67 ∙ 10−8
2355
4
=√
= √259589.94 ∙ 108 = 22.57 ∙ 102 =
−8
0.009072 ∙ 10
4
2257 К = 1984° С
Из расчётов получаем, что температура в точке сведения отражённых солнечных
лучей = 1984° С
Работа «Солнечной пушки» наглядно представлена в (Приложение V).
2. 4 Перспективы использования
Основной перспективой использования данной конструкции является её работа в
сфере электроэнергетики. Данная установка в синтезе с другими устройствами по
конвертации энергии может получать электроэнергию из солнечного света. Сейчас, как
никогда остро встал вопрос о том, каким будет будущее планеты в энергетическом плане.
Перспектива развития солнечной энергетики растёт с каждым днём, т.к. от
обыденных методов добычи электроэнергии очень сильно страдает экология нашей
планеты. И какие бы не предпринимались методы по уменьшению выбросов
загрязняющих веществ, всё равно они наносят несоизмеримый вред окружающей среде.
Добыча электроэнергии из солнечного света является перспективным направлением,
т.к. такая энергетика не наносит вред окружающей среде. Более того, она может быть ещё
и выгодной в плане не только экологическом, но и в производстве электроэнергии. Хотя и
бытует такое мнение, что солнечная энергетика не достаточно эффективна с точки зрения
добычи энергии. При правильном использовании и применении новых технических
13
разработок, такая энергия может стать эффективной и обеспечить человечество
электроэнергией на несколько десятков, а то и сотен лет.
Вывод по главе: Разработанная «солнечная пушка» является ценным инструментом
в добыче электроэнергии. Данная установка способна получать в солнечный день
температуру более 3500 градусов Цельсия. Наша разработка, согласно расчётам, способна
получить температуру равную 1984° С. Мы считаем, что это неплохие характеристики.
Установку можно охарактеризовать положительно по всем критериям, тем самым
складывается вывод о том, что у «солнечной пушки» есть перспективная область
развития.
Глава 3. Двигатель внешнего сгорания – двигатель Стирлинга.
В предыдущей главе был найден способ получения тепловой энергии из солнечного
излучения. Но после этого перед нами встала новая задача, как преобразовать тепловую
энергию в электрическую наиболее эффективным способом? Несомненно, существует
много способов преобразования энергии, но какой из них подойдёт именно в нашем
случае?
Считаем, что наиболее эффективным методом преобразования солнечной энергии
является двигатель Стирлинга. Он обладает теми характеристиками, которые идеально
подходят для нашей установки.
Одно из достоинств двигателя, это его малые габариты и высокое КПД, оно в
некоторых случаях превосходит КПД двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой жидкое или
газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме. Он основан на периодическом
нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом
изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от
любого источника тепла.
3. 1 Описание
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям
того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и
неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам
появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу
любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается
в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре.
14
Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.
В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный
пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех
участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом
является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.
Существует также стирлинг с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется
высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением. (Приложение IV).
Из термодинамики известно, что давление, температура и объём идеального газа
взаимосвязаны и следуют закону
, где:
P — давление газа;
V — объём газа;
n — количество молей газа;
R — универсальная газовая константа;
Т — температура газа в кельвинах.
Это означает, что при нагревании газа, его объём увеличивается, а при охлаждении
— уменьшается. Это свойство газов лежит в основе работы данного устройства.
Двигатель
использует
цикл
Стирлинга,
который
по
термодинамической
эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том,
что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат.
Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил
получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.
Диаграмма "давление-объём" идеализированного цикла Стирлинга. ( Приложение II)
Цикл Стирлинга (Приложение III) состоит из четырёх фаз и разделён двумя
переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение,
сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к
холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре.
При этом изменяется давление, засчёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и
охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале
количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа
производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и
охладителя.
15
3. 2 Преимущества
1. «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего
подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада
температур; например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или
изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.;
2. Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует
дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается
самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться
от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей
материалоёмкостью;
3. Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных»
агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в
десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы;
4. Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии
стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару;
5. Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бетастирлинг
с
ромбическим
механизмом
является
идеально
сбалансированным
устройством и при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет
вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм);
6. Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов,
которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует
рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью
источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в
двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания;
Вывод: Таким образом, двигатель Стирлинга является оптимальный способом
конвертации или выработки энергии из теплового излучения. Следовательно, при синтезе
данного двигателя с солнечной установкой, будет возможна выработка большого
колличества электроэнергии. Аспекты данной установки будут рассмотрены в следующей
главе.
Глава 4. Синтез «Солнечной пушки» и двигателя Стирлинга. Солнечная
электростанция.
Итак, мы рассмотрели каждый в отдельности элементы единой системы по
выработке электроэнергии.
Что же получиться, если объединить всё это воедино?
Каждый элемент конструкции несёт свою важную функцию, без которой не может быть
16
осуществлён процесс выработки электроэнергии. Концентратор превращает солнечное
излучение в тепло, двигатель Стирлинга превращает тепло, отданное ему концентратором
в механическую энергию, ну а она, в свою очередь, преобразуется в электрическую с
помошью электрогенератора.
На рисунке (Приложение I (рисунок 2)), вы можете увидеть, каким образом детали
конструкции совмещены друг с другом.
Произведём расчёт мощности системы:
Характеристика концентратора: 𝑡 = 1984° С ,
Характеристика двигателя: объём вытеснителя (мл) = 200мл, объём рабочего поршня
(мл) = 50мл, мертвый объём газа в холодильной зоне (мл) = 800мл, мертвый объём газа в
горячей зоне (мл) = 100мл.
Из расчёта следующих данных получим:
Tхол = 293 К
Тпеч = 2257 К
Vвыт = 200 мл
Vрабоч. поршня = 50 мл
Vхол. м. = 800 мл
Vпеч. м. = 1000 мл
Отсюда следуют следующие исходящие:
Работа за цикл (Дж): А = 1, 2053 Дж, мощность при 5 об./с, (Вт): N = 6,0265 Вт.
Имея эти данные, можно посчитать, сколько Вт будет давать нам наша установка в 1
час. Если в 1 час = 3600 с, следовательно N = 5.7562 * 3600 = 21695 Вт = 21,695 КВт/ч.
4.1 Солнечная электростанция
Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за
неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.
Несомненно, что солнечная энергия, поступающая на Землю огромна, но чтобы ею
пользоваться, требуется приложить усилия. Создание солнечных электростанций это
выгодное вложение денежных средств. Такая электростанция не требует сырьевой
подпитки, а так же служит многие годы.
До некоторого момента единственным недостатком таких электростанций была их
неэффективность, но новинки технического прогресса, изжили этот недостаток. Что тогда
мешает создавать электростанции, которые в дальнейшем будут годами обеспечивать
человечество энергией? Ответа на этот вопрос нет до сих пор.
17
Солнечные электростанции бывают различных типов, но мы считаем, что наиболее
перспективны станции, состоящие из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на
которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится
на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца.
Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок, радиально расположенных на ферме.
Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в
зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля
(автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью). Другими
словами, электростанция будет состоять из множества отдельно обособленных установок,
объединенных единой системой. Поля из параболических концентраторов, должны быть
оборудованы системой слежения за солнцем, что позволит получать больше тепла.
Такая система может быть полностью автономной и управляемой через интернет,
что добавляет ей мобильности.
Вывод по главе: Солнечная электростанция – это идеальный на наш взгляд сегодня
источник электроэнергии, что обуславливается её экологичностью и не истощаемой
сырьевой базой. Перспективы развития солнечной электроэнергии очень велики, и в
ближайшем будущем непременно начнутся их разработки. Для нас, наибольший интерес
представляют электростанции, состоящие из отдельных модулей. В таких системах
эффективным окажется использование двигателей Стирлинга и гелио – концентраторов.
18
Заключение
В ходе выполнения исследовательской работы была достигнута цель проекта и
поставленные задачи. Для изучения проблематики солнечного излучения и его
преобразования в электрическую энергию, по средствам гелио – концентратора и
двигателя Стирлинга, была изучена научна литература по данной теме.
После систематизации полученных данных, удалось разработать модель, установки
по выработке электроэнергии, которая впоследствии была воплощена в конструкторском
варианте.
В ходе проведения испытаний были зафиксированы необходимые данные, с
помощью которых были произведены расчёты мощности и температуры установки.
При изучении научной литературы, было установлено, что наилучшим способом
конвертировать тепловую энергию в электрическую, возможно при помощи двигателя
Стирлинга.
С помощью данного научно – исследовательского проекта был найден оптимальный,
на наш взгляд, способ выработки электроэнергии. Он не загрязняет окружающую среду,
тем самым являясь экологичным, и не тратит столь ценных природных ресурсов, за
исключением солнечного света.
Выдвинутая ранее гипотеза, в результате проделанной работы, подтвердилась.
Солнечная электростанция, состоящая из отдельных модулей, и в самом деле является
достойной заменой тепловым и атомным электростанциям, о чём свидетельствуют
полученные расчёты.
Новые разработки, альтернативные источники энергии - это всего лишь наиболее
яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших
глазах и который можно назвать «Завтрашним Днем Энергетики».
19
Список использованной литературы
1) В. М. Андреев, В. А. Грилихес, В. Д. Румянцев. Фото – электрическое преобразование
концентрированного солнечного излучения.- Л.: Наука, 1989. – 310 с.
2) Алферов Ж.И. Фотоэлектрическая солнечная энергетика / В сб.: Будущее науки. М.:
Знание, 1978. С. 92 - 101.
3) Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.
4) Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения
Ташкент: Фан 1988 г
5) Андреев С.В. Солнечные электростанции- М.:Наука 2002
6) Володин В.Е., Хазановский П.И. "Энергия, век двадцать первый". –М.:Знание, 1998
7) Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии-М.:Энергия, 2003
20
Приложение I. Иллюстрации к проекту
( Рисунок 1)
(Рисунок 2)
21
Приложение II. Диаграмма "давление-объём" идеализированного цикла Стирлинга
Диаграмма "давление-объём"
идеализированного цикла Стирлинга.
Приложение III. Цикл Стирлинга.
1
2
3
4
1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра.
Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что
вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый
воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый
воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
22
Приложение IV. «Модель двигателя внешнего сгорания – двигателя Стирлинга»
(открыть анимацию двойным щелчком мыши)
Приложение V. «Видео демонстрация работы солнечной установки»
Опыт№1. Сжигание бумаги. (http://turbobit.net/c4lgczfaszze.html)
Опыт№2.
Сжигание
древесины.
(http://turbobit.net/qp5ntgt00zgf.html)
Опыт№3. Кипячение воды. (http://turbobit.net/innwueqsjc9u.html)