Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Задачами Государственной программы «Охрана окружающей среды» на 2012–2020 годы в России являются снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду на основе повышения экологической эффективности экономики.

По инициативе ООН в 2008 г. разработана концепция по «зеленой» экономике, которая будет обеспечивать повышение благосостояния людей, избегая возрастания риска для окружающей среды. «Зеленая» экономика соответствует принципам устойчивого развития. Приоритетными темами «зеленой» экономики являются: возобновляемые источники энергии, энергоэффективность, оценка воздействия на окружающую среду.

Возобновляемые источники энергии оказывают значительно меньшую нагрузку на природную среду, практически не имея вредных выбросов в атмосферу и гидросферу. Их воздействие на окружающую среду по масштабу носит локальный характер. Физические загрязнения, такие как шум, были рассмотрены в работе [7].

В данной работе приведены результаты исследования теплового загрязнения альтернативными источниками энергии окружающей среды.

Как известно, основными источниками антропогенного теплового загрязнения являются предприятия тепловой энергетики. Это приводит к изменению климата в городах, теплового режима гидросферы и верхних слоев литосферы. В работе [4] были исследованы мини-ТЭЦ с различными видами двигателей.

Предмет и методика исследования

Тепловыми источниками воздействия на окружающую среду в данной работе считаются альтернативные источники энергии.

Энергия солнца, ветра, движения воды расходуется на производство электроэнергии и потери в энергоустановке, которые и составляют тепловое загрязнение.

Для проведения исследований были выбраны три различных типа энергоустановок на ВИЭ:

– ветрогенератор «Муссон» с установленной мощностью 30 кВт [9];

– мини-ГЭС ИНСЭТ Пр 30 с установленной мощностью 30 кВт [1];

– солнечная ЭУ с суммарной установленной мощностью 30 кВт, состоящая из 120 солнечных модулей Saana 250 LM3 MBW единичной мощностью 0,25 кВт каждый [6];

Технические характеристики исследуемых энергоустановок на ВИЭ приведены в табл. 1.

Расчеты были выполнены для г. Нижний Новгород.

Исходными данными для расчета являлись.

Годовые суммы солнечной радиации составляют 3667 МДж/м2 год [3].

Средняя скорость ветра в зависимости от месяца года на высоте 10 м приведена в табл. 2 [3]. Средняя скорость ветра за год – 4 м/с.

Реальная мощность ветроустановки имеет кубическую зависимость от скорости ветра [8] и определяется по формуле:

(1)

где N_ном – номинальная мощность, кВт; V_i – фактическая скорость ветра, м/с; V_ном – номинальная скорость ветра для получения номинальной мощности, м/с; t_i – количество дней с фактической скоростью ветра, день; К_в – коэффициент влияния высоты на скорость ветра.

(2)

где 18 – высота ветроустановки, м; 10 – высота замера скорости ветра, м.

Принимая в расчетах

N_ном = 30 кВт,

фактическая скорость ветра и количество дней с фактической скоростью ветра – по табл. 2 К_в = 1,255.

Результаты расчета сведены в табл. 3 и показаны на рисунке.

Таблица 1

Технические характеристики энергоустановок на ВИЭ

Таблица 2

Средняя скорость ветра в зависимости от месяца года

Таблица 3

Тепловое загрязнение ВИЭ

Тепловое загрязнение ВИЭ

Проведенные исследования показали, что:

– минимальное тепловое загрязнение имеют мини-ГЭС за счет высокого КПД, – ветровые установки обладают невысоким тепловым загрязнением за счет малых скоростей ветра в г. Н. Новгород (4 м/с) по сравнению с номинальной скоростью (13 м/с), что приводит к низкой реальной мощности (1,153 кВт), а также при эксплуатации на низкой мощности их КПД может существенно снизиться (до 20…30 %),

– солнечные установки имеют самый высокий уровень теплового загрязнения за счет низкого КПД.

Для солнечной энергоустановки был выполнен расчет изменения температуры воздуха по мере удаления от поверхности солнечной батареи.

Исходными данными для расчета являются:

t_в = 25 °С температура воздуха окружающей среды (летом);

t_ст = 65 °С температура пластины поверхности солнечной батареи.

При расчете использовали формулы для определения высоты теплового пограничного слоя горизонтальной пластины для поверхности теплообмена, обращенной вверх при свободном движении воздуха.

Согласно [2] средний коэффициент теплоотдачи на поверхности горизонтальной пластины можно рассчитать по формулам для аналогичных вертикальных поверхностей:

α_гор = 1,3α_верт. (3)

Согласно критериальной формуле М.А. Михеева [9] значение числа Нуссельта (Nu) для вертикальной пластины может быть определено:

Nu = С∙Rаⁿ = 194, (4)

где Rа – число Рэлея

Rа = Gr∙Pr = 368∙10⁷, (5)

где Gr – число Грасгофа; Pr – число Прандтля,

(6)

где l = 0,986 м наименьший линейный размер пластины; ν = 15,5∙10^–6 коэффициент кинематической вязкости воздуха при значении tв; Pr = 0,7 число Прандтля для температуры воздуха t_в,

Тв = 273 + t_в = 298 К.

Для Rа > 2∙10⁷ режим течения считается турбулентным, и значения коэффициентов принимаются равными

С = 0,135;

n = 0,33.

Тогда значение числа Нуссельта:

(7)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией для горизонтальной поверхности определяли:

(8)

где λ – коэффициент теплопроводности воздуха, λ = 0,026 Вт/м∙К при температуре tв.

Тепловой поток определяли по формуле:

Q = α∙F∙(tст – tв) = 6,65∙1,6∙(65 – 25) = 429 Вт = 0,429 кВт, (9)

где F – площадь пластины, F = 1,6 м2.

Согласно [10] избыточная температура воздуха на оси конвективного потока над тепловым источником определяется из полуэмпирического выражения:

(10)

Δt = t_z – t_в, (11)

где t_z – температура на высоте z пограничного теплового слоя для t_z = t_в при максимальном значении высоты слоя z = h, Δt = 0.

Для корректного решения уравнения (8) примем Δt = 1 °С; Срв – удельная теплоемкость воздуха при t_в, С_рв = 1,0 кДж/кг∙град; ρ_в – плотность воздуха при tв, ρ_в = 1,19 кг/м3; g = 9,81 м/с2; σ = 0,8 – эмпирический коэффициент; С_к – эмпирический коэффициент, С_к = 0,082; Q = 0,429 кВт тепловой поток.

После алгебраических преобразований имеем, что при полном отсутствии ветра (внешнего движения воздуха вдоль пластины) температура воздуха уменьшится до величины 25 °С на расстоянии h = 5,4 м. Однако такое условие бывает крайне редко.

Принимаем скорость ветра wz = 1 м/c (считаем это минимальным предельным значением для определения значения высоты теплового пограничного слоя h). Согласно [10] осевая скорость воздуха определяется из выражения:

(12)

Расчет показывает, что при скорости ветра 1 м/с температура воздуха уменьшится до величины 25 °С на расстоянии 0,10 м.

Выводы

Проведенные исследования показали, что:

– минимальное тепловое загрязнение имеют мини-ГЭС за счет высокого КПД;

– ветровые установки обладают невысоким тепловым загрязнением за счет малых скоростей ветра в г. Н. Новгород (4 м/с) по сравнению с номинальной скоростью (13 м/с), что приводит к низкой реальной мощности (1,153 кВт), а также при эксплуатации на низкой мощности их КПД может существенно снизиться (до 20…30 %);

– солнечные установки имеют самый высокий уровень теплового загрязнения за счет низкого КПД, однако их эксплуатация не окажет отрицательного влияния на тепловой режим атмосферного воздуха.