Учебная работа. Разработка автономного электроснабжения для теплонасосной установки

1. Разработка ТНУ с автономным электроснабжением.

2. Составление ее математической модели.

одной из главных задач работы является получение математической модели ТНУ с автономным электроснабжением. Начальными данными для расчета характеристик ТНУ на базе математической модели являются теплофизические характеристики объекта: количество термический энергии, определяемое на базе площади отопления объекта и нормативных данных. На базе расчета нужной теплоты определяется количество электроэнергии, нужной для ее производства при помощи компрессора.

способы решения намеченных целей
В работе употребляются последующие способы:
а) составление математической модели теплонасосной установки с автономным электроснабжением.
б) разработка схем электроснабжения и автоматики.
Научная новизна
В итоге анализа внедрения ТНУ за рубежом и в РФ (Российская Федерация — Ценность
Предложена блок-схема автономного электроснабжения на базе солнечных частей, термогенератора и преобразователя неизменного напряжения в переменное в виде машинного агрегата, а так же приведена методика расчета на определенную нагрузку на базе солнечных частей.

1. состояние ВОПРОСА И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1.1 Недочеты централизованного теплоснабжения
В протяжении крайних десятилетий в РФ (Российская Федерация — сразу осуществляется выработка, как тепла, так и электроэнергии. Достоинства централизованного теплоснабжения понятны и обширно признаны во всем мире. По масштабам использования централизованного теплоснабжения — является фаворитом. Такое теплоснабжение при одновременной выработке электроэнергии на ТЭЦ почти всеми странами, таковыми как Германия, Дания, считается действенным средством энергосбережения.
совместно с тем централизованное теплоснабжение имеет значительные недочеты: огромные серьезные Издержки на стройку теплотрасс, огромные утраты тепла на трассе, огромные Издержки на эксплуатацию теплотрасс.
Увеличение тарифов на термическую энергию и обозначенные огромные Издержки на содержание теплотрасс принуждают находить новейшие пути и методы теплоснабжения.
1.2 Опыт внедрения ТНУ на Западе и в РФ (Российская Федерация — издавна используются в США (Соединённые Штаты Америки — к примеру в Швеции. В Стране восходящего солнца в эксплуатации находиться несколько миллионов ТНУ с единичной термический мощностью от 1 до 16 кВт. В Германии находится в эксплуатации около 1 миллиона ТНУ, прямо до единичной термический мощности 4 МВт. нужно отметить, что в Германии выделяется самая большая посреди продвинутых стран муниципальная дотация из бюджета: за 1 кВт термический мощности, запущенного в эксплуатацию ТН, выплачивается 300 ЕВРО. В Дании эксплуатируется 40 000 ТНУ. В Швейцарии, в какой 1-ые ТНУ были построены еще в 30-х годах 20 века, находятся в эксплуатации около 40 000 ТНУ, но в главном маленькой мощности. Предусматривается повышение в три раза производства тепла с ТНУ.
На данное время, сначала 21 века, Наша родина значительно отстает по размеру внедрения ТНУ даже от слабеньких государств. Но следует выделить, что для Рф с учетом наиболее твердых погодных критерий и наиболее длительного отопительного периода финансовая эффективность от внедрения ТНУ будет намного выше, чем в странах Европы, США (Соединённые Штаты Америки — часть ТНУ этого ряда прошла стадию производства и тесты, опытнейших образцов на 5 заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно теплопроизводительностью 14; 100; 300; 8500 кВт. С 1987 по 1992 было выпущено около 3 000 ТНУ. Термическая мощность парка всех ТНУ оценивается в 30 МВт.
В Рф в крайние годы возникли спец конторы в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и остальных городках, проектирующие и выпускающие лишь термо насосы. Усилиями этих компаний добавочно введены в эксплуатацию ТНУ общей термический мощностью около 50 МВт.
Довольно всепригодным везде легкодоступным источником низкопотенциального тепла являются поверхностные слои грунта до 50-60-100 м. Скважины для взятия грунтовой воды могут сооружаться под фундаментом строения либо в конкретной близости от него.
Термо режимы грунтовых теплообменников могут быть значительно усовершенствованы при использовании, вместе с теплом грунта, утилизируемого тепла вентвыбросов, тепла водянистых стоков, а в ряде всевозможных случаев и солнечной энергии.
Доп потенциал увеличения эффективности использования термических насосов кроется также в способности их внедрения не только лишь для целей отопления и жаркого водоснабжения, да и для кондиционирования воздуха, включая контроль и управление влажности воздуха в помещениях и в ряде технологических действий.
В истинное время сотворен ряд систем для теплоснабжения особняков и так именуемых «умных домов».
В 1998 году запущена в эксплуатацию система теплоснабжения средней школы в деревне Филинново Ярославской области, ведется стройку большой (наиболее 1,5 МВт) системы теплоснабжения первого в Москве и в Рф аквапарка. Система теплонасосного жаркого водоснабжения заложена в проект экспериментального энергоэффективного высотного жилого дома в микрорайоне Никулино-2 г.Москвы, разработка которого ведется в рамках длительной научно-технической программки «Энергосбережение в городке Москве», реализуемой Миннауки Рф вместе с столичным правительством. Сооружается ряд объектов термическими насосами в столичном городском парке «Фили».

1.3 Сочетание ТНУ с возобновляемыми источниками энергии — действенный путь экономии не возобновляемых энергоресурсов
Развитие энергетического сектора впрямую зависит от инвестиций в технологическое перевооружение и внедрение нестандартных возобновляемых источников энергии.
Согласно данным профессионалов Конференции ООН по торговле и развитию общий размер зарубежных инвестиций в экономику Рф по итогам 2005г. достигнул 26,1 миллиардов. дол., что меньше в 3 раза, чем в экономику Китая, в 4 раза, чем в экономику США (Соединённые Штаты Америки — ВВП (Валовой внутренний продукт — макроэкономический показатель, отражающий рыночную стоимость всех конечных товаров и услуг, то есть предназначенных для непосредственного употребления, произведённых за год во всех отраслях экономики на территории государства) определяется нововведениями и технологическим действием. Толика Рф на мировом рынке сверхтехнологичной продукции весьма мала и составляет всего 0,5%.
В Рф нужно взять под особенный контроль реализацию научных разработок в энергетике, которые у нас не постоянно получают должную финансовую поддержку.
Приятным примером является судьба разработок по теплонасосным установкам, начатых еще 30-40 лет вспять, но так и не получившим широкого внедрения в Рф. Но эти ТНУ на Западе получили обширное распространение в почти всех странах.
Главными неуввязками развития нестандартной энергетики является исследование и применение разных методов производства электроэнергии и тепла, лучше всего сразу.
К возобновляемым источникам относятся: энергия солнца, ветра, биомассы, геотермального тепла, низкотемпературной термический энергии окружающей среды (в том числе, до этого всего грунтовых вод), аква потоков и т.д.
Многообещающим направлением в энергетике в 21 веке является направление «солнце — газ».
Ресурсы на длительную перспективу, как солнца, так и газа, неограничены. Ресурс солнечной энергии оценивается в млрд лет. Ресурс газа оценивается большенными припасами природного газа (на сотки лет), а так же припасами газа, получаемого из биомассы, и зависящего лишь от существования солнца.
Потому в данной работе при построении ТНУ за базу взято направление «солнце — газ».
Выводы по главе 1
Рассмотрены недочеты централизованного теплоснабжения.
Обусловлена перспективность внедрения ТНУ с автономным электроснабжением.

2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТНУ
2.1 Прямой и оборотный циклы Карно
Теплонасосная установка состоит фактически из термического насоса (ТН) и системы, обеспечивающей подвод и отвод из источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ), подачу нагретой в ТН среды пользователю и ее возврат к ТН (рис 2.1). В ТНУ могут заходить несколько ТН.
В испарителе ТНУ низкокипящее рабочее вещество (фреон) бурлит при низком давлении, отнимая теплоту у ИНТ. Опосля компрессора давление фреона увеличивается до уровня, позволяющего дать теплоту конденсации нагреваемой воды в отопительном контуре. В дросселе давление сконденсированного фреона понижается до давления кипения. Таковым образом, реализуется непрерывный процесс переноса теплоты с наиболее низкого температурного уровня на наиболее высочайший с подводом энергии из вне, затрачиваемой на увеличение давления парообразного рабочего вещества, т.е. оборотный термодинамический цикл — оборотный цикл Карно.
Рис. 2.1 Термический насос (оборотный цикл Карно)

В компрессионном холодильнике (рис. 2.2) замкнутая система из соединенных поочередно трубопроводами компрессора, испарителя и конденсатора заполняется хладагентом — фреоном, владеющим низкой температурой кипения ? — 30°С при атмосферном давлении.
Компрессор отсасывает пары фреона из испарителя и из-за снижения давления процесс испарения ускоряется. Теплота, идущая на испарение, «отбирается» от среды, окружающей испаритель. Компрессором пары фреона сжимаются, при всем этом их температура увеличивается. В конденсаторе — теплообменнике (находящемся на задней стене холодильника) они охлаждаются до комнатной температуры, отдавая часть тепла окружающей среде, и конденсируются при неизменном давлении Р1. Опосля прохождения фреона через капиллярную трубку в испаритель его давление понижается от значения Р1 в конденсаторе до Р2 в испарителе. тут водянистый фреон при снижении давления снова испаряется, его температура (и совместно с ним температура испарителя) снижается. Таковая циркуляция фреона, сплетенная с термообменом, происходит безпрерывно, пока работает компрессор. тут имеет пространство прямой термодинамический цикл — прямой цикл Карно.
Рис. 2.2 Принципная схема компрессионного холодильника. (прямой цикл Карно)
2.2 характеристики в контурах ТНУ и спектры их конфигурации
t1, t2, t3- температура воды на глубине погружения глубинного насоса, на ее поверхности и на входе в питательный контур, в скважине С1, спектр +(3-5)°С;
t4 — температура воды на входе в скважине С1, С2, спектр +(1-2)°С;
t5 — температура фреона до компрессора, главный контур, спектр +(3-5)°С;
t6 — температура фреона опосля компрессора, главный контур, спектр +(100-115)°С;
t7 — температура в отопительном контуре подаваемая пользователю тепла, спектр +(55-100)°С;
tсу — температура опосля дросселя, главный контур, спектр — 30°С;
P1 — давление на входе в питательный контур из скважины С1, спектр 2 кгс/см2;
P2 — давление до компрессора, главный контур, спектр 2 кгс/см2;
Pдк — давление опосля компрессора, главный контур, спектр 20-25 кгс/см2;
Pдок — давление в отопительном контуре пользователя тепла, спектр 3-5 кгс/см2;
Pсу — давление опосля дросселя, главный контур, спектр 2 кгс/см2;
Nk — мощность компрессора, спектр 2-5 кВт;
Nгн — мощность глубинного насоса, спектр 0,3-0,5 кВт;
Nнок — мощность насоса отопительного контура, спектр 0,03-0,1 кВт;
Выводы по главе 2
Рассмотрены физические процессы ТНУ на базе оборотного цикла Карно для выработки тепла и на базе прямого цикла Карно для выработки холода.
Приведены характеристики ТНУ и спектры их внедрения.
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТНУ
3.1 Расчет термический перегрузки системы отопления
Расчет термический перегрузки системы отопления Q0 объекта (жилого дома, административного строения и т.д.) исходя из общей площади S объекта и удельной термический перегрузки q на единицу площади, проводится по соотношению:
(3.1)
где , ,
Величина q определяется нормативными документами на объект.
3.2 Уравнение термического баланса системы отопления
В согласовании с [4,5] уравнение термического баланса системы отопления быть может представлено в виде
(3.2)
где Q0 — термическая перегрузка системы отопления, ;
e — удельная безразмерная термическая перегрузка отопления;
G0 — расход воды на отопление, ;
с — теплоемкость воды, ; своды=4,2 ;
tсв — температура воды перед системой отопления, °С;
tвп — температура воздуха в отапливаемом помещение.
Анализ выражения (3.2) указывает [5], что при изменении температуры tвп в итоге конфигурации температуры окружающего воздуха tов и конфигурации температуры воды tсв на входе в систему отопления поддержание всепостоянства Q0=const быть может обеспечено конфигурацией G0, другими словами методом конфигурации расхода воды G0.
Для сохранения постоянной термический перегрузки Q0 при понижении температуры tсв воды на входе системы расход воды на отопление должен быть увеличен на ДG0, (G0+ДG0), а при повышение температуры tсв — уменьшен на ДG0, (G0-ДG0).
Как следует, автоматическое поддержание всепостоянства температуры воздуха tвп снутри отапливаемого помещения быть может обеспечено системой автоматического регулирования расхода воды, содержащей датчики температуры tвп воздуха в отапливаемом помещении; датчики температуры tсв воды на входе системы отопления; теплосчетчик, состоящий из расходомера и тепловычислителя.
сразу быть может установлен ручной регулятор расхода воды для варианта выхода из строя системы автоматического регулирования расхода воды.
Для выбора датчиков приведем приблизительные спектры конфигурации: tвп=(18-22)°С; температуры внешнего воздуха tов=-(40)…+(40)°С, температуры воды tсв перед системой отопления +(50-115)°С.
Из (3.2) быть может рассчитан расход воды на отопление G0, поступающий от ТНУ
.(3.3)
3.3 Расчет мощности компрессора
Расчет мощности компрессора Nk, потребляемой им для производства количества тепла Q0, проводится исходя из последующих суждений.
Эффективность работы термического насоса характеризуется коэффициентом преобразования ц представляющий из себя отношение термический перегрузки системы отопления Q0, приобретенной от конденсатора ТНУ, к электронной мощности привода компрессора Nпр, затраченной им для производства количества тепла Q0, и выраженный в термических единицах (либо в электронных)
(3.4)
(3.5)
ц в спектре от 3 до 7.

3.4 Расчет общей мощности привода компрессора
(3.6)
где Nk — мощность, затраченная на сжатие газа;
Nм1 — мощность, затрачиваемая на механические утраты в компрессоре, слагается из утрат мощности в опорах скольжения либо качения, в местах трения в уплотнительных устройствах и у поршня;
Утраты мощности Nм1 учитываются механическим КПД жм1, который колеблется в границах 0,9…0,93 для вертикальных компрессоров; 0,88…0,92 для горизонтальных компрессоров и 0,8…0,85 для маленьких горизонтальных компрессоров.
Утраты мощности в передаче Nм2 учитываются механическим КПД жм2, который равен 0,9…0,95 для ременной передачи и 0,85…0,92 для зубчатой;
Мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных устройств Nвсп, определяется зависимо от типа механизма и учитывается КПД жвсп.
Мощность привода выбирают с припасом на 10…12% мощности компрессора.
Отысканное Nпр. является параметром для выбора компрессора, а так же для выбора суммарной электронной перегрузки Nтну.
Это 3.5 Выводы по главе 3
Составлена математическая модель ТНУ с автономным электроснабжением.
Приведено уравнение термического баланса системы отопления для расчета мощности компрессора и общей мощности его привода.

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТНУ С АВТОНОМНЫМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ
4.1 Структурная схема ТНУ
Теплонасосная установка (рис.4.1) состоит из 3-х контуров: питательного, основного и отопительного.
На рисунке рис 4.1 обозначены:
I — питательный контур.
ГН1 — глубинный насос закачки грунтовой воды.
ДУ1 — датчик верхнего уровня воды в скважине С1 и датчик ДТ1 ее температуры t1.
ДУ2 — датчик нижнего уровня воды и датчик ДТ2 ее температуры t2.
H — высота извлекаемого столба воды в скважине С1.
ДД1, ДТ3, ДР1 — соответственно датчики на входе питательного контура: давления Р1, температуры t3 и расхода Q1.
ДТ4 — датчик температуры воды t4 на выходе питательного контура при закачке оборотной воды по трубопроводам оборотной воды ТОВ в две скважины: C1 — из которой выполнялась закачка воды в питательный контур насосом ГН1; С2 — особая скважина для поддержания уровня грунтовых вод H и восстановления в обеих скважинах начальных температур, т.к. температура t4 опосля взаимодействия питательного контура I с устройством отбора тепла УОТ основного контура II снижается (опосля сужающего устройства СУ).
II — главный контур.
К — компрессор мощностью Nк; СУ — сужающее устройство; УОТ — устройство отбора тепла от питательного контура; ДД2 и ДТ5 — датчики давления Р2 и температуры t5 на входе компрессора; ДДК, ДР2, ДТ6 — датчики давления, расхода и температуры на выходе компрессора; ДД-СУ, ДТ-СУ — датчики давления Рсу и температуры tсу на выходе сужающего устройства СУ; СУ — сужающее устройство.
III — отопительный контур.
П1, П2, …, Пn — пользователи тепла; УПТ — устройство приема тепла; ДР3, ДТ7 — датчики расхода нагретой воды и ее температуры t7 при подаче пользователям при помощи насоса отопительного контура Нок; ДДок — датчик давления на вводе пользователям.
ППНП — преобразователь неизменного напряжения в переменное U частотой f=50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ); ТГ, СБ — соответственно термогенератор и солнечная батарея, вырабатывающие неизменное напряжение E; СЧ1 — счетчик электроэнергии Nк, потребляемой компрессором К; СЧ2 — счетчик электроэнергии Nпэ, потребляемой остальными пользователями электроэнергии.
Рис 4.1 ТНУ с автономным электроснабжением от термогенератора и от солнечных батарей

4.2 Блок-схема устройства автономного электроснабжения. Выбор и обоснование преобразователя неизменного напряжения в переменное
Блок-схема устройства автономного электроснабжения приведена на рис.4.2
Рис.4.2 Блок-схема автономного электроснабжения для теплонасосной установки
ФГ — фотогенератор; НФГ — накопитель фотогенератора; ТГ — термогенератор; НТГ — накопитель термогенератора; СхУ — схема управления; ППНП — преобразователь неизменного напряжения в переменное; ВРУ — вводное распределительное устройство.
Uс — напряжение электросети 220 В 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ); Uфг — неизменное напряжение фотогенератора; Uнфг — неизменное напряжение накопителя фотогенератора; Uтг — неизменное напряжение термогенератора; Uнтг — неизменное напряжение накопителя термогенератора; Uд, Iд — напряжение и ток мотора неизменного тока;
Перегрузки ВРУ: Nпр — мощность привода компрессора; Nна — мощность насосных агрегатов; Nбн — мощность нагрузок бытового предназначения; Nсху — мощность устройств схемы управления; Nтну — суммарная перегрузка.
Источники электронной энергии неизменного напряжения для автономных систем электроснабжения
Хим источники:

· батареи

· топливные элементы

· химические

· биохимические

Физические источники:

· фотогенераторы

· термогенераторы

· атомные батареи

Для преобразования неизменного напряжения в переменное известны последующие пути:

· статические преобразователи неизменного напряжения в переменное — инверторы

· электромашинные преобразователи неизменного напряжения в переменное структур ДПТ-ГПН (движок неизменного тока — генератор переменного напряжения)

Систематизация статических преобразователей неизменного напряжения в переменное

1. Транзисторные: однотактные и двухтактные (недочет — маленькая выходная мощность — до нескольких кВт)

2. Тиристорные

(Плюсы — огромные мощности до нескольких 10-ов кВт)

3. На JGBT — транзисторах

(Плюсы — огромные мощности, кВт, МВт)

4. Цифровые (ЦАП — цифроаналоговые преобразователи)

В приложении 2 дана систематизация накопителей электроэнергии.

В истинное время многообещающими числятся накопители энергии, из их сначала обыденные свинцовые батареи с добавкой наноматериалов.

4.3 Расчет суммарной электронной перегрузки ТНУ
Схема автономного электроснабжения ТНУ включает преобразователь неизменного напряжения в переменное, который представляет собой машинный агрегат, состоящий из мотора неизменного тока ДПТ и генератора переменного напряжения ГПН.
ГПН выбирается исходя из суммарной электронной перегрузки Nтну:
Nтну=Nпр+Nна+Nсн+Nсху (4.1)

где Nпр — мощность привода компрессора
Nна — мощности насосных агрегатов
Nсн — мощности устройств собственных нужд
Nсху — мощность устройств схемы управления СхУ
Машинный агрегат имеет напряжение 220 В частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) с тем, чтоб можно было использовать обыденные приборы различного предназначения на 220 В. Питание нагрузок Nпр, Nна, Nсн, Nсху осуществляется через вводное распределительное устройство ВРУ с соответственной релейной защитой.
Для функционирования машинного агрегата МА нужно на вход мотора неизменного тока ДПТ подавать неизменное напряжение Uд и при токе Iд.
Неизменное напряжение Uд быть может получено фотогенератором ФГ, термогенератором ТГ.
Подключение избранного преобразователя ФГ либо ТГ осуществляется схемой управления СхУ.

4.4 Фотопреобразователь
4.4.1 Принцип деяния фотоэлемента
Полупроводниковые солнечные батареи в первый раз были установлены на 3-ем русском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1985г.).
Простая система солнечного фотоэлемента-прибора для преобразования энергии солнечного измерения — на базе монокристаллического кремния показана на (рис. 4.3). На малой глубине от поверхности кремниевой пластинки р-типа сформирован р-n-переход с узким железным контактом. На тыльную сторону пластинки нанесен сплошной железный контакт.
Когда солнечный элемент освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрические пары.
Электроны, генерируемые в р-слое поблизости р-n-перехода, подступают к р-n-переходу и имеющимся в нем электронным полем выносятся в n-область. Аналогично и лишниие дырки, сделанные в n-слое, отчасти переносятся в р-слой. В итоге n- слой приобретает доп отрицательный заряд, а р-слой — положительный. Понижается начальная контактная разность потенциалов меж р и n-слоями полупроводника, и во наружной цепи возникает напряжение Eфэ (рис. 4.3). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n- слой, а р-слой — положительному.
Стоимость солнечной батареи размером 65см х 100см мощностью 150-160 Вт составляет 12000 руб.
Рис. 4.3 Система фотоэлемента
4.4.2 Расчет фотопреобразователя

Рис. 4.4 Схема соединений фотоэлемента в фотоэлектрические солнечные модули
Фотопреобразователь ФП (рис 4.4) представляет собой «к» фотобатарей ФБ, соединенных параллельно для обеспечения требуемого напряжения Uфп. При всем этом любая фотобатарея ФБ состоит из «n» поочередно соединенных фотоэлементов ФЭ с известными значениями напряжения на отдельном фотоэлементе (фото ЭДС Eфэ), обеспечивающего номинальный ток его Iфэ.
С учётом этого имеем соотношения
(4.2)
. (4.3)
4.4.3 характеристики фотоэлектрических солнечных модулей
Солнечные модули (СМ) на базе монокристаллического кремния предусмотрены для преобразования прямого солнечного излучения мощностью от 500 Вт/м2 в электронный ток неизменного напряжения. Круглые кремневые пластинки расположены в стеклянной подложке шириной 3 либо 4 мм. Стекло помещено в дюралевый основа.
Достоинства: Облегченная герметичная система, полированное упрочненное стекло, завышенная градостойкость, интервал рабочих температур -60єС… +75єС, допустимая влажность 100%, энергосберегающая разработка сборки.
Применение: В качестве основного либо вспомогательного источника энергии в составе автономных источников питания для:
жилых особняков и дачных домов
радиоаппаратуры, радио- и телекоммуникаций
систем охраны
уличного освещения и освещения маркетинговых щитов
систем водоснабжения и опреснения
сельскохозяйственных объектов
заправочных станций
катодной защиты железных объектов
а) солнечные элементы
Солнечные элементы (СЭ), фотопреобразователи (ФП) — синонимы первичного преобразователя, осуществляющего прямое преобразование солнечной энергии в электронный ток.
Фотопреобразователи (ФП) выполняются на базе монокристаллического кремния как “p”, так и “n” типа проводимости со структурой:
n+ — p — p + — при использовании базисного кремния “p” типа,
p+ — n — n + — при использовании базисного кремния “n” типа,
т. е. фотопреобразователи (ФП) с полем на тыльной поверхности (ПТП СЭ).
Рабочая поверхность текстурирована, соответственно, ориентация пластинок кремния (100).
Тыльная поверхность — зависимо от модификации быть может как гладкой, так и текстурированной.
Контакты на рабочей и тыльной поверхностях — сетчатые, приобретенные осаждением железных паст способом трафаретной печати.
б) солнечные модули
Электрически соединенные солнечные элементы делают базисную базу для производства солнечных модулей, которые, в свою очередь, уже способны производить электронную энергию, достаточную для питания электропотребителей бытового предназначения, также служить базисными элементами огромных энергосистем. Зависимо от внедрения солнечные модули могут иметь разные конструктивные решения и различные выходные мощности.
Выпускаются три серии солнечных модулей:
солнечные модули в дюралевом каркасе — серия MSW, 32 типа в спектре мощностей от 3 до 120 Вт;
бескаркасные солнечные модули — серия “Лира”, 16 типов в спектре мощностей от 1,7 до 24 Вт;
солнечные модули на сплаве — серия MSWm, 16 типов в спектре мощностей от 1,7 до 24 Вт.
По просьбе заказчиков разрабатываются и делаются также и особые солнечные батареи, к примеру, для яхт и остальных применений.
в) каркасные солнечные модули
Каркасный солнечный модуль выполнен в виде панели, заключенной в основа из дюралевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой меж 2-мя слоями герметизирующей пленки расположены солнечные элементы, электрически соединенные меж собой металлическими шинами. Нижний слой герметизирующей пленки защищен от наружных действий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен диодный блок, под крышкой которого расположены электронные контакты, созданные для подключения модуля.
г) бескаркасные солнечные модули (серия “Лира”)
Бескаркасные солнечные модули конструктивно реализуются в виде цельного ламината, состоящего из спаянных монокристаллических кремниевых солнечных частей, размещенных меж 2-мя слоями ламинирующей пленки типа ПВБ либо ЭВА, с рабочей поверхности защищенных оптически прозрачной пленкой типа ПЭТ, а с тыльной — аналогичной пленкой без доп требований к оптическим чертам.
д) солнечные модули на сплаве (серия MSWm)
Солнечные модули на сплаве (рис. 4) конструктивно реализуются в виде цельного ламината, состоящего из спаянных монокристаллических кремниевых солнечных частей, размещенных меж 2-мя слоями ламинирующей пленки типа ПВБ либо ЭВА, с рабочей поверхности защищенных оптически прозрачной пленкой ПЭТ, тыльной поверхностью заламинированные на железную плиту. MSWm оснащается контактной коробкой для защиты выводных контактов. Посадочные отверстия для крепления модуля обустроены резиновыми втулками.
4.5 Термопреобразователь
4.5.1 Термопреобразователь с проволочными термоэлементами и его расчет
Термопреобразователь ТП представляет собой «е», блоков схожих термомодулей с напряжением (Етм), соединенных параллельно (рис.4.5, б). Как следует, выходное напряжение термопреобразователя Uтп равно напряжению отдельного термомодуля (Етме)’
(4.4)
Напряжение отдельного блока термомодулей (Етм)’ равно сумме напряжений отдельных термомодулей Етм
(4.5)
ток Iтп термопреобразователя ТП (рис.4.5, б) равен сумме токов «е» термомодулей
(4.6)
Выходное напряжение термопреобразователя ТП Uтп равно напряжению отдельного блока термомодулей
(4.7)
Произведем расчет блока термомодуля по (рис.4.5, а). Блок термомодуля представляет собой «е» параллельно соединенных термобатарей ТБ с схожими напряжениями Етб
(4.8)
Любая термобатарея состоит из «m» поочередно соединенных схожих термоэлементов с напряжением Етэ и током Iтэ. Потому что термоэлементы ТЭ в термобатареях соединены поочередно, то ток каждой термобатареи Iтб равен току отдельного термоэлемента ТЭ
(4.9)
где, m-число термобатарей.
Напряжение термобатареи Етб равно сумме напряжений «m» термоэлементов
(4.10)
При всем этом напряжение термомодуля Етм равно напряжению термобатареи Етб
(4.11)
ток термомодуля Iтм (рис.4.5, а) равен сумме токов «е» термобатарей
(4.12)
а)

б)
Рис. 4.5 Структурная схема блока термомодуля ТМ (а) и термопреобразователя ТП (б) на базе термопар (термоэлементов) с проволочными термоэлектродами.
4.5.2 Термопреобразователь с полупроводниковыми термоэлементами и его расчет
Термоэлектрический метод получения электронной энергии основан на связи меж термическими и электронными явлениями в проводниках. Было найдено, что если нагревать пространство спая 2-ух разнородных проводников, то в нем возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), пропорциональная разности температур на жарком и прохладном концах проводника (эффект Зеебека):
E= б*(Т2-Т1),
где б — коэффициент термо-ЭДС, численно равный разности потенциалов, возникающей при разности температур в 1єC; Т2 и Т1- соответственно температуры жаркого и прохладного спаев. Создаваемая ЭДС даже при высочайшем нагреве выходила настолько незначимой, что поначалу не могла быть применена в энергетических целях. Это разъясняется тем, что у металлов разность температур стремительно падает из-за их высочайшей теплопроводности, а, как следует, стремительно миниатюризируется и термо — ЭДС.
С возникновением полупроводников положение резко поменялось. Если термо — ЭДС железного стержня вызывается перемещением электронных зарядов (вольных электронов) от наиболее нагретого конца к наименее подогретому и количество электронных зарядов при всем этом остается постоянным, то у полупроводникового стержня с увеличением температуры очень возрастает концентрация электронных зарядов, а перепад температур, так же как и у металлов, приводит к их интенсивному перемещению из жаркой области в прохладную. Возникновение огромных количеств новейших электронных зарядов обуславливает образование у полупроводников при одном и том же перепаде температур приблизительно в 50 раз большей термо — ЭДС, чем у металлов. Потому применение полупроводников значительно изменило способности термоэлементов.
На рис.4.6, а приведена принципная схема термобатареи ТБ из «n» термоэлементов ТЭ на полупроводниках р- и n- типов. Простой термоэлектрогенератор ТЭГ, представляющий из себя термомодуль ТМ из «m» параллельно соединенных термобатарей ТБ, приведен на рис.4.6, б.
Примем напряжение 1-го термоэлемента ТЭ за Е, а допустимый ток за Iтэ. Для схемы рис.4.6, а напряжение термобатареи Етб будет равно сумме напряжений всех поочередно соединенных термоэлементов ТЭ.
(4.13)
ток термобатареи Iтб равен току отдельного термоэлемента Iтэ
(4.14)

Рис. 4.6 Источник неизменного напряжения на базе термомодулей:

а) Схема термобатареи (ТБ) из n термоэлементов (ТЭ)

б) Схема соединения термобатарей (ТБ) в термомодуль (ТМ)

в) Печь с термомодулями

Термомодуль Тм представляет собой «m» параллельно соединенных термобатарей, потому ток термомодуля Iтм равен сумме токов «m» термобатарей (рис.4.6, б)

(4.15)

а напряжение термомодуля Uтм равно напряжению одной термобатареи Етб

(4.16)

Разность температур t1 и t2 быть может обеспечена в печи, в качестве горючего в какой быть может использован газ, дрова, отходы древесной породы и т.д. (рис.4.6, в).

Выводы по главе 4
Приведена структурная схема ТНУ с автономным электроснабжением на базе преобразователя неизменного напряжения в переменное.
Рассмотрены принципы деяния фотоэлементов и термоэлементов и приведены методики их расчета.
теплонасосный установка автономный электроснабжение

5. ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ ТНУ С АВТОНОМНЫМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ
Проект предугадывает попытку спроектировать, сделать и испытать маломощную теплонасосную установку исходя из имеющихся способностей: 1. наличие колодца грунтовых вод; 2. наличие насоса для закачки воды из колодца в ТНУ; 3. наличие компрессора — головного компонента ТНУ.
Компрессор является компонентом входящим в состав ТНУ и обыденного холодильника (рис. 2.1; 2.2). Потому для экспериментальной маломощной ТНУ можно применить компрессор от холодильника либо среднемощной холодильной установки.
Для начального исследования ТНУ можно употреблять сеть электроснабжения 220 В. В итоге исследовательских работ потребляемой мощности обусловятся требования к характеристикам установки автономного электроснабжения.
Вторым шагом исследовательских работ по проекту на базе характеристик употребления электроэнергии, определенных на 1 шаге при питании компрессора от сети 220 В, будет создание фотопреобразователя на базе промышленных фотомодулей.
5.1 Цель и задачки разработки опытнейшей ТНУ с автономным электроснабжением
Цель — изучить способности сотворения опытнейшего эталона ТНУ с автономным электроснабжением маленькой мощности, обеспечивающей главные энергоресурсы: горячее и прохладное водоснабжение, теплоснабжение и кондиционирование, электроснабжение (выработка электроэнергии).
задачки:
1. Изучить способности внедрения для ТНУ низкопотенциального тепла грунтовых вод колодцев глубиной (5-10) м и неглубоких скважин глубиной до 20 м, с целью размещения ТНУ, к примеру, на дачных участках либо в личном домовладении.
2. Произвести приблизительный расчет ТНУ на маленькую мощность автономного электроснабжения на базе выпускаемых индустрией фотопреобразователей.
3. Применить метод преобразования неизменного напряжения фотопреобразователей в переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) в виде системы «движок неизменного тока — генератор переменного напряжения».
4. Произвести анализ накопителей электроэнергии и наметить пути их выбора для ТНУ. Найти тип накопителя электроэнергии на ближайшую перспективу, а именно, для проектирования опытнейшей ТНУ.
5. Оценка способности внедрения однотипных устройств для сотворения, как тепла, так и холода, к примеру, компрессоров, сужающих устройств (дросселей). Это является предпосылкой производства ТНУ на имеющихся предприятиях холодильного оборудования.
6. Провести подготовительную оценку цены главных частей опытнейшей ТНУ, до этого всего компрессора, являющегося главным пользователем электроэнергии.
7. Наметить план исследования характеристик опытнейшей ТНУ.
8. Создать систему автоматизации технологических действий ТНУ. Найти технологические датчики: температуры, давления, уровня, расхода воды, расхода электроэнергии и т.д.
9. Создать систему управления ТНУ при помощи беспроводных и проводных каналов связи.
10. Выработка требований к контроллеру и локальной вычислительной сети.

5.2 методы извлечения низкопотенциального источника тепла верхних слоев грунта и грунтовых вод
Рассматривается два варианта закачки воды грунта:
Из скважин глубиной 20-100м; и 2. из колодца глубиной 5м
I вариант реализован в городке Тольятти Самарской области в ТНУ для отопления административного строения жд станции. количество скважин — 5. Поперечник спускаемых труб в скважину — приблизительно 200мм. температура в скважине на глубине 20м равна +10оС. температура на выходе ТНУ для отопления +55оС. (Сообщение ТВ (Телевидение (греч. — далеко и лат. video — вижу; от новолатинского televisio — дальновидение) — комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние) программки «Вести» по 1 каналу 26 января 2012г.). Питание компрессора — от энергосистемы г. Тольятти. I вариант конструктивного выполнения приведен на (рис. 5.1, а). Главные Издержки на тепло — оплата (выдача денег по какому-нибудь обязательству) электроэнергии, потребляемой компрессором.
II вариант закачки воды в ТНУ предугадывает колодец глубиной 5м, выполненный из 5 бетонных колец поперечником 1м, высотой 1м (рис. 5.1, б). температура на глубине 5м равна +(4-5)оС (может быть, +(2-3)о С).
Закачка воды в ТНУ делается глубинным насосом с управлением
системой автоматики на базе датчиков нижнего и верхнего уровня.
Вариант рис. 5.1, б — предлагаемый. Спускаемая система в виде 5 колец поперечником D2=1м и общей длиной H2=5м. температура t2=+(1-3)оС.

5.3 Расчет фотопреобразователя на заданную электронную нагрузку
Nтну=Nпр+Nна+Nсн+Nсху

Задаваемая мощность ТНУ Nтну=N=3 кВт,
Избираем из приложения 2 солнечный элемент MSV-100 (21). Его данные: длина l=130 см, ширина h=67 см, мощность Nфэ=100 Вт.

а) б)

Рис.5.1 Два варианта конструктивного выполнения ТНУ: а) В виде глубочайших скважин малого поперечника труб; б) в виде колец огромного поперечника.

1- спускаемые конструкции; 2- трубы для подъема воды; 3- глубинные насосы.

Определяем количество солнечных частей

(5.1)

Стоимость 1-го солнечного элемента Cфэ=12 000 руб.

Стоимость n=30 солнечных частей

Стфэ=Сфэ*nфэ=12000*30=360 000 руб. (5.2)

Площадь n=30 солнечных частей состоит:

площадь 1-го солнечного элемента.

Sфэ=l*h=1,3*0,67=0,871 м2 (5.3)

Общая площадь солнечных частей

S=Sф*n=0,871*30=25,13 м2 (5.4)

Солнечные элементы размещаем по одному по периметру, потому n=30 солнечных частей, размещенные по периметру P, длина всякого l=1,3 м, займут длину периметра

P=n*l=30*1,3= 39 м. (5.5)

5.4 Управление включением насоса в колодце

При достижении насоса 5 (рис.5.2) нижнего уровня 6 упор 3 штока 4 размыкает контакты микропереключателя 8 и отключает обмотку насоса 5 от сети 220 В.

Во включенном состоянии насос 5 подает воду из колодца по шлангу 11 к тройнику 12, имеющему два выводных шланга. По шлангу 13 вода подается в ТНУ, а по шлангу 14 — в накопительный бак.

5.5 Размещение солнечных частей в опытнейшей ТНУ

Теплонасосная установка имеет три контура (рис. 4.1):

I — питательный; II — главный; III — отопительный.

Автономное электроснабжение обеспечивается от солнечных частей 9, которые могут размещаться или на крыше и стенках помещения ТНУ, или по периметру местности в качестве забора.

В данной работе предполагается применение солнечных частей, выпускаемых уже индустрией и доступных для широкого внедрения.

Практическое применение термогенераторов 11 еще пока сдерживается, они находятся в стадии разработки.

Рис. 5.2 Колодец в качестве источника низкопотенциального тепла

1 — стены скважины; 2 — дно колодца; 3 — упор штока 4 насоса 5; 6 — нижнее положение уровня воды; 8 — микропереключатель; 9 — провода от микропереключателя в схему управления; 10 — кабель питания насоса; 11 — шланг подачи воды от насоса 5 к тройнику 12; 13 — шланг подачи воды в ТНУ; 14 — шланг подачи воды в накопительный бак.

Рис. 5.3 Размещение солнечных частей в опытнейшей ТНУ

1 — насос; 2 — трубопровод подачи воды от насоса в испаритель 3 питательного контура I; 4 — трубопровод подачи оборотной воды опосля испарителя в колодец; 5 — компрессор; 6 — сужающее устройство(дроссель); 7 — конденсатор; 8 — трубопровод отопительного контура III; 9 — солнечные панели; 10 — электрощит и схема управления; 11 — печь с термоэлементами; 12 — помещение ТНУ; 13 — периметр местности; 14 — датчик верхнего уровня; 15 — датчик нижнего уровня.

5.6 Система автоматизации ТНУ с автономным электроснабжением

Главные функции системы автоматизации заключаются в обеспечении автоматического режима работы всех технологических действий ТНУ, т.е. в 3-х контурах: питательном, основном и отопительном.

Автоматизация осуществляется при помощи датчиков — первичных преобразователей (рис. 4.1).

В питательном контуре контролируются характеристики: верхний и нижний уровни воды в колодце (датчики уровня ДУ1, ДУ2), температура воды на уровнях t1 и t2 (датчики температуры ДТ1 и ДТ2); расход извлекаемой из колодца воды Q1 (датчик расхода ДР1); давление нагнетания воды Р1 из колодца от глубины насоса ГН1 (датчик расхода ДР1); температура охлаждающей воды при возврате ее из питательного контура назад в скважину t4 (датчик температуры ДТ4).

В главном контуре контролируются характеристики: температура агента (фреона) t5 при подаче в компрессор К опосля испарителя (датчик температуры ДТ5); давление агента на входе компрессора Р2 (датчик давления ДД2); давление РСУ и температура tСУ опосля сужающего устройства СУ на входе в испаритель (датчик давления ДД-СУ и датчик температуры ДТ-СУ); мощность Nпр, потребляемая компрессором К (счетчик электроэнергии СУ1).

В отопительном контуре контролируются характеристики: температура t7 (датчик температуры ДТ7), расход нагретой воды G3 (датчик расхода ДР3), давление (датчик давления ДДок), энергопотребление насосов в отопительном контуре (Нок).

В устройстве автономного электроснабжения (рис. 4.2) контролируются последующие характеристики: неизменное напряжение Uфп и ток Iфп фотопреобразователя; неизменное напряжение Uтп и ток Iтп термопреобразователя; неизменное напряжение Uд и ток Iд на входе мотора неизменного тока; переменное напряжение U=220 В и мощность N, потребляемая всеми пользователями.

В простом случае для контроля перечисленных характеристик могут быть использованы отдельные приборы для всякого параметра.

Для автоматизации всех действий может использована схема на базе структурной схемы (рис. 5.4), основанная на интерфейсе RS-485, позволяющего выполнить локальную сеть до 1000 м.

Рис. 5.4 Локальная сеть на базе интерфейса RS 485 (витая пара)

Обмен ведущего устройства (ПЭВМ, контроллера) с периферийными измерительными преобразователями ИП1 и ИПN осуществляется через устройство связи УС, представляющее преобразователь интерфейсов RS 485 / RS 232. В качестве кабеля локальной сети употребляется витая пара провод в экране (RS 485). На конце полосы установлено сопротивление Rт-терминатор, сопротивлением 120-150 Ом.

Ведущее устройство (ПЭВМ) запрограммировано на скорость обмена 9600 Бод при формате:

Ведущее устройство передает данные через RS 485 / RS 232 в сеть интерфейса RS 485 с теми же параметрами поочередного обмена, т.е. скорость обмена 9600 Бод при формате 1 старт-бит, 8 бит данных, 2 стоп-бита.

Ведомое устройство (измерительный преобразователь) распознает команды, адресованные отдельному измерительному преобразователю, и отвечает на их.

Ответ ведомого устройства (ИП) через RS 485 / RS 232 передается в порт ведущего устройства.

ПЭВМ (контроллер) программируется на выполнение операции автоматизации всего технологического цикла ТНУ.

Выводы по главе 5
Рассмотрен пример внедрения ТНУ с автономным электроснабжением. Дан расчет фотопреобразователя на заданную электронную нагрузку. Приведено размещение солнечных частей в ТНУ. Рассмотрена структурная схема системы автоматизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Рассмотрены перспективы внедрения теплонасосных установок в теплоснабжении в РФ (Российская Федерация — тока построен на базе электромашинного агрегата, состоящего из электродвигателя неизменного тока и однофазного синхронного генератора переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).
5. Приведен расчет суммарной электронной перегрузки ТНУ.
6. Приведен принцип деяния фотоэлемента и дана приблизительная стоимость солнечных батарей. Рассмотрена структурная схема соединения фотоэлементов в фотобатарее и фотобатарей в фотопреобразователь. Дан расчет фотопреобразователя.
7. Приведены характеристики фотоэлектрических солнечных модулей, выпускаемых индустрией.
8. Приведены структурные схемы термопреобразователей на проволочных и полупроводниковых терморезисторах и их расчет.
9. Рассматривается проект исследовательской ТНУ с автономным электроснабжением.
10. Приводятся цели и задачки опытнейшей ТНУ.
11. Приводятся два метода извлечения низкопотенциального источника тепла верхних слоев грунта. Выбирается предлагаемый вариант- в виде колодца из 5 колец поперечником 1м.
12. Дан расчет фотопреобразователя для мощности 3 кВт. Согласно расчету количество солнечных частей MSW-100(12) для данной нам мощности -30 штук. Стоимость 30 солнечных частей 360 000 рублей. Площадь солнечных частей — 25,13м2, расположены по периметру на длину 39м.
13. Приведены схема расположения солнечных частей в опытнейшей ТНУ.
14. Составлена математическая модель ТНУ с автономным электроснабжением.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
]]>