Состояние и перспективы развития альтернативных источников энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состояние и перспективы развития альтернативных источников энергии

1. Традиционные источники энергии

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии.

Гидроэлектростанция (ГЭС) - комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. При их сооружении также наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек.

Важнейшая особенность гидротехнических ресурсов в сравнении с топливно-энергетическими - их непрерывная возобновляемость.

Атомная электростанция (АЭС) - электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива.

2. Нетрадиционные источники энергии

Ветроэнергетическая установка способна превращать энергию ветра в электроэнергию. Запасы ветровой энергии на территории нашей страны огромны, так как во многих районах среднегодовая скорость ветра составляет б м/с. Устройство ветроэнергетической установки достаточно простое: вал ветряного колеса, способного вращаться под действием ветра, передает вращение ротору генератора электрической энергии. Стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях ниже, чем на любых других. Кроме того, ветроэнергетика экономит богатства недр. Недостатки ветроэнергетических установок - низкий коэффициент полезного действия, небольшая мощность. Они применяются там, где нет стабильного обеспечения электроэнергией - на нефтяных разработках, горных пастбищах, в пустынях и т.п.

Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10 м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. В нашей стране уже созданы и работают приливные электростанции. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются неравномерность выработки электроэнергии во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды.

Гелиоэнергетика (энергия Солнца). Во второй половине XX в. в связи с бурным развитием космонавтики начали разрабатывать проблему гелиоэнергетики - преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы - кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов - частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств.

Ситуация с возобновимыми (нетрадиционными) источниками энергии в России, как и почти со всем у нас в стране, может быть названа уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии - 2300млрдТУТ (тонн условного топлива); ветра - 26,7млрдТУТ, биомассы - 10млрдТУТ; тепла Земли - 40000млрдТУТ; малых рек - 360млрдТУТ; морей и океанов - 30млрдТУТ.

Нетрадиционные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен.

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15% (по мощности).

Бесплатность большинства видов НВИЭ регулируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.

Наибольшие достижения по использованию солнечной энергии отмечены в области создания систем теплоснабжения с применением плоских солнечных коллекторов. Первое место в России во внедрении таких систем занимает Краснодарский край, где за последние годы в соответствии с действующей краевой программой энергосбережения сооружено около сотни крупных солнечных систем горячего водоснабжения и множество мелких установок индивидуального пользования. Наибольшее развитие солнечные установки для обогрева помещений получили в Краснодарском крае и Республике Бурятия. В Бурятии солнечными коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты - больницы, школы, завод «Электромашина» и т.д., а также частные жилые здания. Сравнительно повышенное внимание уделяется развитию геотермальных электростанций, более, видимо, привычных нашим энергетическим распорядителям и достигающих больших мощностей, а потому лучше укладывающихся в привычную концепцию энергетического гигантизма. Специалисты считают, что запасы геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах могут обеспечить электростанции мощностью до 1000МВт.

Ещё в 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5МВт. Она была пятой ГеоТЭС в мире. В 1967 г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС - первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строится Мутновская ГеоТЭС мощностью 200МВт с использованием отечественного оборудования, изготовленного Калужским турбинным заводом. Этот завод приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро - и теплоснабжения. С использованием таких блоков Камчатка и Сахалин могут быть практически полностью обеспечены электроэнергией и теплом от геотермальных источников. Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются в Ставропольском и Краснодарском краях. Сегодня там вклад систем геотермального теплоснабжения составляет 3 млн. Гкал/год.

нетрадиционный гелиоэнергетика станция

3. Гелиоэнергетика

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC = 1360 Вт/м2.

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

4. Типы солнечных электростанций

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:

СЭС башенного типа

СЭС тарельчатого типа

СЭС, использующие фотобатареи

СЭС, использующие параболические концентраторы

Комбинированные СЭС

Аэростатные солнечные электростанции

Солнечно-вакуумные электростанции

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента - гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

по виду используемого теплоносителя (жидкостные - вода, антифриз и воздушные);

по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух - малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации. Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах - вода, а в контуре потребителя - воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Основными элементами активной солнечной системы является гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала, выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100°С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоский солнечный коллектор - устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Тепловое аккумулирование-это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Аккумулирующая система характеризуется способами, которыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю.

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

Аккумулирующая и теплообменная среды.

а) Прямое аккумулирование: аккумулирующей и теплообменной является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость плюс газ).

б) Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) либо в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Собственно аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело - твердое тело, твердое тело - жидкость или жидкость - пар).

в) Полупрямое аккумулирование: процесс протекает как в случае б), за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль (например, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).

г) Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способ-ность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением тепла (и поглощением тепла при десорбции газа). Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа,

Масса аккумулирующей среды.

а) Постоянная масса (dmак = 0): обычно это случай косвенного аккумулирования. Однако может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование).

б) Переменная масса (dmак ? 0): это всегда случай прямого аккумулирования.

Объем аккумулятора.

а) Постоянный объем (dVак = 0): этот случай соответствует аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах.

б) Переменный объем (dVак ? 0): этот случай соответствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

Давление в аккумуляторе.

а) Постоянное давление (dpак = 0).

б) Переменное (скользящее) давление (dpак ? 0).

5. Тепловое аккумулирование для солнечного обогрева и охлаждения помещений

Типичная схема активной системы с тепловым аккумулированием энергии для получения горячей воды включает первичный контур на антифризе, теплообменник в нижней части аккумулирующего бака и дополнительный нагреватель в верхней его части. Так как эффективность солнечного коллектора снижается с увеличением разности температур первичного контура и окружающей среды, температуру первичного контура следует поддерживать на возможно более низком уровне. Для этого следует обеспечить небольшой перепад температур в теплообменнике, воспрепятствовать перемешиванию в баке и обеспечить подвод тепла только в самую холодную часть бака.

Выбор соотношения между размерами солнечного коллектора и аккумулятора для кратковременного (горячая бытовая вода) и долговременного (обогрев) аккумулирования - интересная оптимизационная задача. Общий оптимум получается, когда оптимальны характеристики как коллектора, так и аккумулятора. Удельные емкости аккумуляторов для кратковременного аккумулирования обычно составляют 50-100 кг воды на 1 м² площади коллектора, а для долговременного аккумулирования в климатических условиях Центральной Европы необходимы значения удельной емкости 1000 кг/м2. Солнечный бассейн, где коллектор и аккумулятор совмещены, является частным случаем аккумулирования с использованием горячего теплоносителя (рис. 3.10). Солнечная радиация поглощается донной поверхностью бассейна. В теплоносителе создается и поддерживается градиент концентрации соли (концентрация увеличивается с глубиной) между верхним конвективным слоем (под действием ветра) и нижним конвективным слоем (в результате отвода тепла). Благодаря этому конвекция и связанный с ней теплоотвод к поверхности подавляются, и слой толщиной ~ 1 м, в котором нет конвекции, служит тепловой изоляцией.

Таким способом можно достичь температуры воды 100°С, а 90°С является обычным расчетным значением в зонах с жарким климатом.

Были предложены и разработаны системы аккумулирования на основе использования теплоты фазового перехода для зарядки и разрядки воздухом (рис. 3.12) или водой Таким образом, теплообменник позволяет проводить одновременно зарядку и разрядку. Каждый теплообменный элемент состоит из внутренней и наружной трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (например, алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода (равную теплоте плавления). В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела.

6. Использование энергии ветра

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, они сосредоточены главным образом в тех регионах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Такая ситуация характерна для всего Арктического побережья от Кольского полуострова до Чукотки, а также для побережья и островных территорий Берингова и Охотского морей. География распределения ветроэнергетических ресурсов позволяет рационально их использовать как автономными ВЭУ, так и крупными ВЭС в составе местных энергетических систем. В России энергия ветра может быть эффективно использована в следующих регионах: области: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская; края: Краснодарский, Приморский, Хабаровский; а также: Дагестан, Калмыкия, Карелия, Коми, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ. Перспективными являются и другие отдельные районы многих краев, областей и республик РФ.

Известно много различных ветроэнергетических установок (ВЭС), но все их можно разделить на два типа: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Первые имеют сложную конструкцию, зато обладают более высоким коэффициентом использования энергии ветра, поэтому чаще применяются в промышленности. Вторые - более просты в конструкции, но менее продуктивны. На рынке они встречаются редко и применяются обычно в частных домах.

Горизонтальные (крыльчатые) ветроколеса

Широкое распространение получили ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса.

Горизонтальные (крыльчатые; ВЭС - лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов в промышленности. Чтобы обеспечить максимальную скорость вращения, лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально - перпендикулярно потоку воздухе. Для достижения этого применяется специальное устройство - стабилизатор. Горизонтальные ВЭС могут непосредственно соединяться с генератором без мультипликаторов. У крыльчатых вегрегенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Другими словами чем меньше лопастей - тем выше скорость вращения. Поэтому установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Вращающий момент ветроколеса в них создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.

Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. По классической теории Н.Е. Жуковского, для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра о=0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45-0,48, а у тихоходных - до 0,36-0,38. Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность, представляющая собой отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса - 5-7, трехлопастного - 4-5, шестилопастного - 2,5-3,5.

Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей.

Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости вефа и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты. Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять 20-30% от номинальной и менее. При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких КПД на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют генераторы с номинальными мощностями 100 и 20-30% от номинальной мощности ВЭУ.

При слабых ветрах первым генерагора отключается В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра Установка ветроколеса «на ветер», т.е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности - посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках - специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс отдатчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки.

Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор. пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра. Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы.

Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра. ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение.

Вертикальные (роторные) ветроколеса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса (рис. 2). Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра - всего 0,10-0,15. В последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-чегырех изогнутых лопастей. Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается пол действием подъемных сил. возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30-0,35 В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями.

Главным преимуществом ветроустановок Дарье является то, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора и серьезным авариям, что должно учитываться при конструировании ротора (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить.

Вертикальные (карусельные, роторные) ВЭС - лопастные механизмы с вертикальной осью вращения. Работают при низких скоростях ветра, но имеют малую эффективность. Поэтому встречаются они достаточно редко и применяются, как правило, в домашних системах. В то же время, в отличие от горизонтальных, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Установка сама следит «откуда ветер дует», следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять в них простые электросхемы для съема энергии, в частности, асинхронные генераторы. В то же время тихоходность ограничивает применение вертикальных ВЭС, так как вынуждает применять повышающие редукторы - мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно.

Идеальным ветрякомназывают ветроколесо, у которого:

1 ось вращения параллельна скорости ветра;

2 бесконечно большое число лопастей очень малой ширины;

3 профильное сопротивление крыльев равно нулю, и циркуляция вдоль лопасти постоянна;

4 потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей сметаемой поверхности ветряка;

5 угловая скорость стремится к бесконечности.

Из классической теории идеального ветряка вытекают следующие основные положения:

1. Максимальный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса равен оi =0,593.

2. Потеря скорости в плоскости ветроколеса равна одной трети скорости ветра: v1=13V.

3. Полная потеря скорости ветра за ветроколесом в два раза больше потери скорости в плоскости ветроколеса: v2=2/3 V

Таким образом, скорость ветра за ветроколесом в три раза меньше скорости ветра перед ветроколесом.

4. Коэффициент нагрузки на ометаемую поверхность ветроколеса равен B = 0,888.

Потери ветряных двигателей разделяются на четыре группы.

1. Концевые потери, происходящие за счёт образования вихрей, сходящих с концов лопастей. Эти потери определяются на основании теории индуктивного сопротивления.

2. Профильные потери, которые вызываются трением струй воздуха о поверхность крыла и зависят только от профиля лопастей.

3. Потери на кручение струи за ветряком равны живой силе тангенциальных скоростей уходящей струи.

4. Потери, происходящие вследствие неполного использования всей ометаемой площади

7. Геотермальная энергия

Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью (средняя величина геотермической ступени равна 33 м).

В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают.

Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м.

Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150-200°С и более.

К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы

По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.

Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на земную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200°С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма.

К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами - 45-70°С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273°С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.)

Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом - 30-33°С/км.

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50-60° С.

Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток.

В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой. Термальная вода имеет температуру выше80°С, но сильно минерализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников.

Здесь термальная вода из скважин разделяется на две параллельные ветви: одна направляется в теплообменник отопления и затем в теплообменник 1-й ступени подогрева воды для горячего водоснабжения; вторая - в теплообменник 2-й ступени.

Чтобы избежать зарастания трубопровода, термальную воду используют с промежуточным теплообменником. Высокоминерализованную воду из скважины подают в резервуар со змеевиками, по которым поступает пресная речная вода. Нагретая пресная вода идет к потребителю, а выпадающие из термальных вод соли осаждаются в резервуаре и на наружных поверхностях змеевика. Недостатком схемы с теплообменником является сокращение срабатываемого потенциала термальной воды (на конечную разность темпера-тур в теплообменнике).

Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной термальной водой. Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым потенциалом (температура ниже 80°С). Здесь требуется повышение потенциала термальной воды. Осуществить это можно разными методами, приведем основные из них:

а) подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев отопительной воды;

б) бессливная система геотермального теплоснабжения;

в) применение тепловых насосов;

г) совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева.

При использовании геотермальной энергии необходимо позаботиться о защите окружающей среды, которая может пострадать вследствие выбросов отработанной воды.

Так же использование подземных вод может представлять опасность для здоровья человека, поскольку могут содержать токсичные соединения.

В связи с тем что, существующая модель экономики в нашей стране не особенно поощряет широкое внедрение объектов альтернативной энергетики, но все же уже определенно видны ростки новых технологий и даже можно увидеть, уже воплощенные проекты. В силу геологических причин, во многих регионах Российской Федерации есть предпосылки для развития геотермальных электростанций, использующих один из возобновляемых источников энергии. Преимущества такого вида генерации электрической энергии очевидны (неистощимый источник энергии причем экологически чистый), но есть ряд проблем требующих конструкторских и технологических решений. Например, необходимо организовать обратную закачку отработанной пароводяной смеси, не всегда удается расположить станцию ближе к потребителям и многие другие.

Запасы энергии

Внушают оптимизм размер выявленных запасов геотермальных вод с рабочим диапазоном температур (от ста до двухсот градусов Цельсия) и достижимой глубиной залегания до трех с половиной километра. По расчетам специалистов такие запасы позволят получать четырнадцать миллионов кубометров в сутки, что примерно равняется тридцати миллионов тонн условного топлива. Также из расчетов следует, что запас геотермальной энергии на порядок выше запасов всех видов органического топлива на территории Российской федерации. Надо только распорядиться этим богатством по-хозяйски.

Текущее состояние и новые станции

Если мы рассмотрим уже накопленный опыт функционирования уже построенных геотермальных станций на территории нашей страны, то обнаружим парадоксальную ситуацию, несмотря на все изменения тарифов и рост неплатежей, такой вид энергетики всегда получает прибыль и имеет положительную рентабельность даже в кризисные периоды экономики.

Последние годы Россия неуклонно наращивала темпы прироста генерируемой электроэнергии получаемой на геотермальных электростанциях, причем необходимо отметить, что сами темпы совпадают с общемировыми темпами, это показывает, что развитие геотермальной энергетики соответствует мировым тенденциям. Следует отметить, что в последние годы в нашей стране ведется активное строительство новых генерирующих мощностей: геотермальная станция на Итурупе мощностью 6 МВт, начато геотермальное тепло - и электроснабжение города Светлый в Калининградской области на основе станции мощностью 4 МВт. Казьминское месторождение геотермальных вод будет эксплуатироваться новой геотермальной станцией мощностью 500 кВт с возможностью последующего кратного расширения.

8. Энергетические ресурсы океана

Энергетические ресурсы Мирового океана ассоциируются не только с углеводородным сырьем, добываемым в больших количествах на шельфе, но и с возобновляемыми энергоносителями. Пока энергия Океана лишь в очень малой степени поставлена на службу человеку, что придает данной проблеме глобальное звучание

С учетом того обстоятельства, что энергия приливов (потенциал приливной энергии Мирового океана оценивается в несколько миллиардов киловатт) в 2000 раз превышает годовой запас энергии всех рек мира, данное направление в развитии мировой энергетики особенно перспективно.

К сожалению, этого нельзя сказать о других направлениях. Так, постоянным возобновляемым ресурсом является кинетическая энергия волн. Разумеется, она размещена далеко неравномерно по акватории Океана, однако в некоторых местах на шельфе, где возможно гидростроительство, она достигает высокой концентрации. Первые промышленные волновые электростанции небольшой мощности уже сооружены в Норвегии, Японии, Индии. Чаще всего с помощью энергии морских волн приводятся в действие электрогенераторы, устанавливаемые на плавучих маяках. Несмотря на высокие стоимостные затраты, целесообразность создания волновых станций определяется конкретными географическими условиями, наличием или отсутствием альтернативных источников, плотностью приходящей энергии и т.д.

Еще одним из направлений в развитии энергетики Океана в перспективе может стать строительство электростанций, использующих энергию течений. Результаты гидрологических исследований свидетельствуют, что лишь Гольфстрим в наиболее мощной своей части (38° с. ш.) переносит ежесекундно 82 млн м3 воды, а в течение года - 250 тыс. км3, что в 6,5 раза больше годового стока вод со всей поверхности суши. Конечно, проекты установки в толще Гольфстрима турбин большого диаметра для получения электрической энергии сегодня кажутся нереальными, однако не исключено, что по мере обострения энергетической ситуации в мире к таким проектам еще вернутся. Главные лимитирующие факторы широкого использования энергии течений сегодня - чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия существующих преобразователей этого вида энергии (всего 0,5-10%), колоссальные затраты на гигантские турбины, нерешенность многих чисто технических вопросов.

Прямое отношение к проблеме использования энергии Океана имеет утилизация термической энергии акваторий. Солнечное тепло, как известно, аккумулируется в верхних слоях Океана, в то время как нижние сохраняют достаточно низкие температуры. Вследствие этого создаются значительные различия температуры поверхностных и глубоко лежащих вод. В тропических широтах температура воды на поверхности достигает почти 30°, а на глубине 0,5 км - всего 8-10°. Таким образом, амплитуда температуры составляет примерно 20°.

Это явление лежит в основе работы гидротермальных (или моретермальных) электростанций. Принцип использования разницы температур достаточно прост. Известно, что с уменьшением давления понижается температура кипения воды и соответственно температура образования пара. Когда разогретая вода засасывается вакуумом 0,01 атм, она вскипает и образуется пар, способный вращать турбину, соединенную с генератором. Функция же холодной воды заключается в охлаждении пара, поступающего в конденсатор.

Идея широкого использования термической энергии не нова. Еще в 1927 г. на р. Маас во Франции была сооружена гидротермальная станция небольшой мощности. Затем было построено несколько более крупных (15 тыс. кВт и более) станций в США, Японии, Котд'Ивуаре. При этом получили развитие новые конструкции гидротермальных станций, в частности на базе использования газа фреона.

Наконец, в мире создаются и обсуждаются проекты сооружения электростанций, основанных на создании искусственного перепада морской воды в узких проливах. Однако реальность подобных проектов очень низка.

9. Энергия биомассы

Одной из наиболее перспективных тем в области развития альтернативных источников энергии является изучение потенциала биоэнергетики, то есть получение энергии из органических материалов.

Главное преимущество этого вида альтернативных источников энергии - это большое разнообразие сырья и объектов его практического применения. Ведь растительный мир планеты чрезвычайно разнообразен и в качестве топлива можно использовать многие виды растений. Кроме того, существует возможность создания экологически чистых видов горючего. Разработка и производство биотоплива также поможет решить проблему мусора, который может приносить энергию, являясь сырьём.

Биотомпливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов.

Существуют различные классификации биологических топлив. Наиболее общей из них является классификация по консистенции, согласно которой биотопливо подразделяется на:

- жидкое (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель),

- твёрдое (дрова, солома),

- газообразное (биогаз, водород).

Бионергетическая установка. Изобретение относится к установкам для переработки органических отходов сельскохозяйственного производства в анаэробных условиях и может быть использовано для производства биогаза.

Биоэнергетическая установка содержит метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер.

Установка снабжена гелиоколлектором, электроводонагревателем и двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора с расположенной со стороны днища двигателя биогазовой горелкой, которая соединена с трубопроводом для подачи биогаза из газгольдера. В двигателе Стирлинга тепловая энергия сжигаемого в биогазовой горелке биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в метантенке биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения. Изобретение обеспечивает автономное энергоснабжение локальных потребителей в сельской местности с комбинированным использованием энергии солнечного излучения и энергии биомассы.

Перспективы развития биоэнергетики в России:

стабильное использование лесных ресурсов для постоянного увеличения продукции с высокой добавленной стоимостью;

формирование новых направлений, в основе которых лежит более полное, углубленное использование древесных ресурсов;

развитие сотрудничества с другими отраслями экономики;

создание новых рабочих мест;

увеличение уровня использования местных видов топлива;

предотвращение изменения климата через сокращение выбросов парниковых газов.

В ближайшее время для развития биоэнергетического направления в рамках Лесной технологической платформы необходимо выполнить следующие задачи:

1. Разработать цепочки поставки биоэнергетической продукции, детализированные с момента заготовки сырья до конечного потребителя.

...