Солнечный коллектор с пирамидальной оптической системой
Основной путь улучшения рабочих характеристик солнечного коллектора заключается в создании условий, позволяющих увеличить количество солнечной энергии, поступающей на коллектор.
Рисунок 7.14 Пирамидальная оптическая система:
1 – лучи полуденного солнца; 2 – угол верхней грани пирамиды к горизонтали 35 °; 3 – угол крыши к горизонтали 27,5 °; 4 – поверхность коллектора размером 0,6 х 2,5 м; 5 – потолочные балки; 6 – угол панели, оптимизированный для 21 января
Модифицированный плоский солнечный коллектор, разработанный Джеральдом Фалбелом, концентрирует солнечную энергию при помощи, отражающей пирамидальной оптики. В результате можно уменьшить необходимые размеры обычно дорогостоящей пластины теплоприемника. В основании пирамиды устроена крышка с плоским зеркалом на петлях, которую можно закрывать во время облачной погоды.
В солнечную погоду наклон крышки можно регулировать, чтобы получить максимальное отражение через раскрытый зев на поверхность поглотителя. Можно достигнуть концентрации, в 2...4 раза превышающей обычную плотность солнечной радиации.
Хотя конструкция и корпус меньшего по размерам теплоприемника могут оказаться дороже, но, пожалуй, одним из преимуществ такой конструкции является потенциальная возможность устранения проблемы замерзания коллекторов водяного типа с помощью закрывающейся шарнирной панели, когда солнца нет; это может снизить стоимость коллектора и системы. Кроме того, можно получить более высокие температуры теплоносителя без уменьшения КПД коллектора.
|
|
|
В холодное время года в помещении всегда бывает теплее чем, на улице. Чем лучше теплозащитные качества дома, тем уютнее человек чувствует себя в нем.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗА
Понятие биогаза
В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70 % метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.
Биогаз – это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания специальных реакторах – метантэнках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90 % той, которой обладает исходный материал. Другое, – и очень важное, – достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.
|
|
|
Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т.д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.
Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.
Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м3 на 1 м2 жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота – 5…6 м3. Потребление биогаза при сушке сена (1 тонна) влажностью 40 % равно 100 м3, 1 тонны зерна – 15 м3, для получения 1 кВт/ч электроэнергии – 0.4…0.7 м3.
|
|
|
Свежий навоз животноводческих ферм и жидкие составляющие навоза вместе со сточными водами являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к свежему навозу приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для зараженности почвы вредными микроорганизмами. В навозе животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.
Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология обработки навоза, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ. Перспективным, экологически безопасным и экономически выгодным направлением решения этой проблемы является анаэробная переработка навоза и отходов в биогазовых установках с получением биогаза. Благодаря высокому содержанию метана (до 70 %) биогаз может гореть. Оставшаяся после такой естественной переработки органическая масса представляет собой качественное обеззараженное удобрение. Для переработки используются дешевые отходы сельского хозяйства: навоз крупного рогатого скота, свиней, коз, овец, помет птицы, солома, стружка, опилки, сорная растительность, бытовые отходы, отходы жизнедеятельности человека, бытовой органический мусор и т.п. Полученный биогаз идет на отопление животноводческих помещений, жилых домов, теплиц, энергию для приготовления пищи, сушку сельскохозяйственных продуктов горячим воздухом, подогрев воды, выработку электроэнергии с помощью газовых генераторов. После утилизации содержание питательных веществ в полученном удобрении увеличивается на 15 % по сравнению с обычным навозом. При этом в новом удобрении уничтожены гельминты и болезнетворные бактерии, семена сорных трав. Такой навоз применяется без традиционных выдержек и хранения. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т.п. Сухое удобрение используется по прямому назначению, при этом урожайность люцерны повышается на 50 %, кукурузы на 12 %, овощей на 20…30 %.
|
|
|
Из навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т.п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные стоки в балки, озера, овраги, в малые и крупные реки, где улучшается среда обитания.
Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. т, из них 150 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. т – на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 700 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 60 млн. т, коммунальных стоков – 10 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество).
Энергия, запасенная в первичной и вторичной, биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.
1. Получение растительных углеводородов (растительные масла, жирные высокомолекулярные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.). Например, для южных регионов России это может быть рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу.
2. Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60 %) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.
3. Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.
На современном этапе экономического развития России в соответствии с Государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика" возобновляемая энергетика развивается по двум последним направлениям.
Методы получения биогаза
Метановое брожение, или биометаногенез – это процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода, закиси углерода. Болотный газ, называемый клар-газом, при горении образует пламя синего цвета. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза (20...25 МДж), эквивалентна энергии 0,6 м3 природного газа, 0,74 л нефти или 0,66 л дизельного топлива.
Биометаногенез осуществляется в три этапа: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В энергоконверсию вовлекается половина органического материала сухого вещества по сравнению с термохимическими процессами. Остатки или шлаки, метанового «брожения» используются в сельском хозяйстве как удобрения. В процессе биометаногенсза участвуют три группы бактерий. Одни превращают сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочные кислоты; другие превращают эти кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ и, наконец, метанобразующие бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода.
В природных условиях метанобактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями, что выгодно для обоих типов бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними. В результате концентрация водорода снижается и становится безопасной для водородобразующих бактерий.
В естественных условиях, в присутствии влаги, тепла, кислорода биомасса разлагается под действием аэробных бактерий, а при недостатке кислорода – анаэробных бактерий. Интенсивность действия анаэробных бактерий обуславливается рядом факторов, среди которых главным является постоянство температуры.
Выделяют три уровня температуры, при которых эффективность действия определенного вида анаэробных бактерий наиболее высока:
1) низкий;
2) средний;
3) высокий.
При низком уровне температур (до 20 °С) происходит психрофильное брожение. Жизнедеятельность этой группы бактерий протекает в теплое время года. Примером психрофильного брожения служит разложение биомассы в трясине болот с образованием болотного газа.
При среднем уровне температур (30..40 °С) развивается мезофильная группа бактерий. Оптимальным считается значение температуры 32...34 °С.
Высокий (45...85 °С) уровень температур обуславливает термофильное брожение. Оптимальной считается температура в пределах 52...55 °С.
Мезофильное и термофильное брожение не может идти без дополнительных затрат энергии на поддержание заданной температуры процесса. Анаэробные бактерии очень болезненно реагируют на колебания температуры. Повышение температуры увеличивает скорость выхода биогаза и снижает время полного разложения биомассы. Так, увеличение температуры процесса на 5 °С увеличивает скорость выхода биогаза вдвое.
Большинство метанобразующих бактерий интенсивно развивается в нейтральной среде с рН = 6...8. При этом требуется 10 % азота и 2 % фосфора от массы сухого сбраживаемого вещества. Оптимальное соотношение С1М должно быть 30:1. Это соотношение можно менять до 10...16 единиц, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми углеродом.
8.3. Установка в Зиггервизене
Биологический мусор, предварительно рассортированный, попадает на ручную или механическую переработку, затем в метантенк, где производится биогаз.
Этот биогаз идет на промежуточное хранение в газгольдер, а оттуда подается вентилятором в газовые двигатели. Таким образом, 350 м3/ч биогаза преобразуется в электрическую энергию, пар и горячую воду. Кроме того, на этих газовых двигателях осуществляется использование газа, образующегося на свалке, который после десульфурации подается в газосборник. Вырабатываемая энергия используется для теплоэнергоснабжения установки по переработке отходов, также входящей в состав этого предприятия. После выработки газа оставшаяся масса перерабатывается в компост и служит для производства удобрений.
Рисунок 8.1 – Схема получения биогаза, Зиггервизен (Австрия)
Сахарная и бумажная фабрики в Варнанагаре (Индия), мощность 1980 кВт.
Непрерывное энергоснабжение сахаро-рафинадного завода и бумажной фабрики в Варнанагаре (Индия) обеспечивается с помощью трех газовых двигателей. Необходимый для этого газ на 75 % получается из отработанной воды сахарной фабрики. Остальные 25 % газа вырабатываются из сточных вод бумажной фабрики. С помощью процесса брожения обоих видов отходов в двух отдельных биореакторах возникает биогаз, который в основном состоит из СН4 (60…65 %) и СО2 (35…40 %). Биогаз, получаемый из отработанной воды сахаро-рафинадного завода содержит большое количество сероводорода (Н2S), который удаляется на установке десульфурации. Оба газа соединяются в газонакопителе. Таким образом, ежедневно получают приблизительно 22 000 м3 биогаза.
Дата добавления: 2018-05-30; просмотров: 252; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!