Нетрадиционные источники энергии и их использование

Размещено на http://www.allbest.ru

Нетрадиционные источники энергии и их использование



Ученые предостерегают: разведанных запасов различного органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на несколько десятков-сотен лет. Конечно, можно перейти и на другие невозобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез. Однако почему бы параллельно с использованием традиционных возобновляемых и невозобновляемых источников не интенсифицировать использование нетрадиционных источников энергии?



1. Состояние и перспективы нетрадиционной энергетики

О важности более широкого использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в XXI веке вряд ли кого-то надо убеждать. Всем ясно, что основные невозобновляемые энергоресурсы рано или поздно, исчерпаются. По оптимистическим прогнозам угля хватит на 1000-1500 лет, нефти -- на 150-250 лет, газа -- на 100-200 лет. По другим, более осторожным прогнозам, учитывающим в числе прочего перспективы роста мирового энергопотребления, нефть должна закончиться лет через 40-70 лет, газ -- через 50-80 лет, уран -- через 80 - 100 лет, уголь - через 400-600 лет. энергетика ветер земля океан солнце

Не случайно главы восьми государств, в том числе и России, в 2000 г. в Японии обсудили проблемы использования возобновляемых источников энергии. Более того, образовали рабочую группу для выработки рекомендаций по развертыванию рынка этой энергетики.

Что еще чрезвычайно важно, у возобновляемых источников энергии имеются неоспоримые преимущества в области экологии. Некоторые возобновляемые виды энергии уже сегодня стоят не дороже энергии, получаемой за счет использования органического топлива.

Варианты прогнозов вклада возобновляемых источников энергии, по данным Мирового Энергетического Совета, представлены в табл. 1.

В США доля производства электроэнергии на базе нетрадиционных источников энергии в общем ее объеме составляет 1 %, в Дании -- 20 %. В Нидерландах доля производства электроэнергии на их базе к 2010 г. возрастет с 3 до 10 %, в Германии -- с 5,9 до 12 %.

Большая часть потребности в энергии будет удовлетворяться за счет солнечных элементов, ветроустановок, малых гидростанций и использования биомассы остатков урожая и отходов промышленности. Что касается геотермального тепла, энергии волн и приливов, то в некоторых районах мира эти источники энергии также могут оказаться значительными.

Таблица 1

Виды энергоресурсов	Минимальный вариант	Максимальный вариант
	млн. т	%	млн. т	%
Ветровая энергия, геотермальная энергия, энергия малых ГЭС	187	35	429	32
Солнечная энергия	109	20	355	26
Современная биомасса	243	45	561	42
Всего	539	100	1345	100
Доля общего первичного энергопотребления, %	3-4	8-2

Согласно оценке Агентства по охране окружающей среды США через 20 лет возобновляемые источники энергии смогут удовлетворить 1/3 мировой потребности в энергии по сравнению с 1/17 частью сегодня. Еще через 20 лет -- 2/3 потребности в энергии. Но в этих целях процесс развития нетрадиционной энергетики должен быть существенно ускорен. А для этого нужна воля правительств и энергетиков всех стран и в первую очередь, индустриально развитых.

Что касается использования возобновляемых источников энергии в России, то экономически эффективный потенциал возобновляемых источников энергии России составляет свыше 270 млн. тонн условного топлива (у.т.) в год или более 25 % внутреннего годового энергопотребления. Причем значительными возобновляемыми ресурсами располагает большинство регионов страны, в том числе и проблемные сточки зрения энергоснабжения.

В настоящее время в России действуют несколько экспериментальных и опытно-промышленных электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы, около 300 малых ГЭС, десятки небольших ветровых и солнечных установок. В частности, построены или находятся в стадии строительства: на Камчатке - Паужетская, Мутновская и Верхне-Мутновская геотермальные электростанции (ГеоЭС), а также каскад малых гидроэлектростанций (МГЭС); на Сахалине - Океанская ГеоЭС; в Калмыкии и республике Коми - ветряные электростанции (ВЭС). В стадии технико-экономического обоснования проектов строительства находятся еще несколько малых электростанций, в частности ВЭС в Приморье и Магадане, солнечная электростанция (СЭС) в Кисловодске, приливная электростанция (ПЭС) в Хабаровской области и др.

Всего в нашей стране используется пока 1,5 млн. тонн у.т. нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов, общий вклад которых в энергобаланс страны не превышает 0,1 %. Между тем, как отмечалось, ресурсы нетрадиционных возобновляемых источников энергии России просто колоссальны.

Сегодня, как никогда ранее, необходимо более активно развивать энергетику России на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Причин к тому много:

- это возможность решения проблем обеспечения энергией отдаленных и труднодоступных районов меньшими силами и средствами;

- это необходимость сокращения объемов дорогостоящего строительства линий электропередачи, особенно в труднодоступных и отдаленных регионах;

- это использование таких электростанций для оптимизации графиков загрузки оборудования на других электростанциях;

- это необходимость снижения вредных выбросов от энергетики (СО₂, NO_x и других) в экологически напряженных регионах.

Кроме того, это позволяет финансировать строительство электростанций на базе НВИЭ за счет использования оплаты «квот за выбросы».

Потребность расширения использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии вызвана также тем, что зона децентрализованного энергоснабжения охватывает более 70 % территории нашей страны, на которой постоянно проживает более 10 млн. человек, в том числе в сельских районах Севера -2,5 млн. человек. Как известно, в эти регионы мы вынуждены завозить топливо с большими трудностями, тратить на его доставку огромные средства, крайне неэффективно использовать его и при этом постоянно иметь проблемы с энергоснабжением. Нужда в завозе значительной части топлива в эти районы может отпасть за счет более широкого использования в этих регионах нетрадиционных энергоустановок

К настоящему времени нетрадиционные источники энергии во всем мире в силу ряда причин задействованы далеко недостаточно, хотя и наблюдается существенный прирост использования ряда из них. Рассмотрим основные проблемы, связанные с использованием нетрадиционных источников энергии.



2. Энергия ветра и ветроэлектрические станции

Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра является разность температур в атмосфере, которая, в свою очередь, обусловливает возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеивания энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер, к локальным и сезонным - бризы и муссоны.

Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный - в южном. Сила пассатного ветра обычно составляет 2...3 балла.

Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8...10 баллов и редко бывает менее 5 баллов. Богаты энергией ветра северные районы России вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима людям, обживающим эти богатейшие края.

Бризы - это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море. Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря - морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши - береговой бриз.

Муссоны дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу, и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой - северо-восточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения.

Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории - от наших западных границ до Камчатки. 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 энергии ветра. Среднегодовые скорости воздушных потоков на 100-метровой высоте превышают 7 м/с. 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.

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД порядка 75-95%. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, составляет всего 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

2.1 Ветроэнергетические установки

Первоначально энергия ветра использовалась для получения механической энергии в сельском хозяйстве (ветряные мельницы). Позднее воздушный винт стали использовать для привода судовых механизмов. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились.

Новейшие исследования в области ветроэнергетики направлены преимущественно на эффективное получение электрической энергии с помощью разного рода ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые служат основой ветроэлектрических станций (ВЭС).

ВЭС преимущественно являются электростанциями постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ВЭС применялись еще несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г.

В СССР первая ВЭС мощностью 100 кВт была построена в 1931 году у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт•час. В 1942 г. станция была разрушена.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая трудная проблема состоит в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом периодов в секунду, т.е. со стандартной частотой 50 или 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная проблема - избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Ветродвигатель - устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю.С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже давно построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 1.

Они делятся на две группы:

- ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, т.е. крыльчатые (см. рис. 1,б-д);

- ветродвигатели с вертикальной осью вращения: карусельные лопастные (см. рис. 1,а) и карусельные ортогональные (см. рис. 1,е).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.

Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.1. Типы ветродвигателей

Ортогональные ветродвигатели, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 1,е). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей (с горизонтальной осью вращения) намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных (с вертикальной осью вращения) - намного больше момент вращения. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Горизонтальные ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное колесо обычно с 2-3 лопастями, которое вместе с капсулой агрегата с помощью автоматической системы ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в ряде стран осуществляется серийное производство таких ВЭУ с диаметром колеса 20-40 м и мощностью 100-500 кВт, построены опытные горизонтальные ВЭУ с диаметром колеса до 70-100 м и мощностью 3-4 МВт.

Для вертикальных ВЭУ не нужна система ориентации, что является их преимуществом. Кроме того, карусельные ветродвигатели тихоходны, это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра, однако тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов не эффективно из-за низкого КПД последних. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

В России же одним из возможных направлений развития ветроэнергетики стало создание многомодульных ветроэнергетических установок (МВЭУ), состоящих из одного-двух десятков небольших ветроколес диаметром до 2 м. В программе МВЭУ участвуют несколько предприятий. Среди них Центральный аэрогидродинамический институт - ЦАГИ, занимающийся вопросами аэродинамики, испытанием моделей и изготовлением опытных образцов; НИИ электрификации сельского хозяйства (испытания на полигоне) и Московский государственный открытый университет, где на кафедре электроприводов разрабатывают и изготавливают электрическую часть МВЭУ. Производством наиболее сложных элементов конструкций - легких и прочных углепластиковых профилированных лопаток и кольцевого обтекателя на стадии изготовления опытных образцов занимается ЗАО «Мельников».

Совместными усилиями они разработали и приступили к созданию модульной ветроэнергетической установки оригинальной конструкции, в которой недостатки ВЭУ сведены к минимуму. Усовершенствованная конструкция ветродвигателя получила название «Модуль». Несмотря на то, что потери мощности в нем по сравнению с ВЭУ традиционной схемы возрастают за счет трения с 7 до 20% (пропорционально увеличению площади обтекаемых поверхностей), суммарные потери мощности снижаются примерно в два раза. Этого удалось достичь благодаря применению более совершенной аэродинамической схемы (рис. 2).

На данном этапе проектируются модули с кольцевым обтекателем диаметром 1 м («Мини-модуль») и 2 м («Макси-модуль»). При скорости ветра 10 м/с мощность первого составляет 0,25 кВт, а второго - 1 кВт. Естественно, большую мощность и наибольший экономический эффект дают многомодульные установки.



Рис. 2. Конструкция одного модуля ветродвигателя «Модуль»

Разработчики предлагают МВЭУ в двух компоновках. Первая из них -«Венец» - предназначена для обеспечения электроэнергией в основном индивидуальных домов. Установка представляет собой усеченное осесимметричное центральное тело, вокруг которого по окружности смонтировано несколько ветроэнергетических модулей. «Венец» устанавливают на крышах зданий. Вторая компоновка - МВЭУ «Башня» - может вырабатывать электроэнергию для небольших поселков. Она состоит из группы МВЭУ-«Венец», определенным образом расположенных на возвышенности (башне).

2.2 Основные проблемы и перспективы ветроэнергетики

Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энергетику обусловлено рядом объективных причин.

Первая причина связана с особенностями ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие текущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра существенно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика показала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4...5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40% ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, Азово-Черноморская и Каспийская зоны.

Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра. Достоинства: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Недостатки: низка плотность энергии, приходящаяся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.

Вторая причина связана с особенностями преобразования энергии ветра в электрическую. Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двух- или трехлопастное ветроколесо горизонтально-пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших - десятками метров.

Третьей причиной медленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вводимой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные электростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200...250 долл./кВт.

Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:

1) специфические резкопеременные графики нагрузок;

2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;

3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;

4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работ в межнавигационный период.

Недостатком ветроэнергетических станций является также изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км²/МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с км² площади меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70-200 км², хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400-800 метров.

Наиболее важный фактор влияния ВЭУ на окружающую среду - это акустическое воздействие. Шумовые эффекты от ВЭУ имеют различную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия, которые, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными (до нескольких кГц). Эти воздействия вызваны в основном вращением рабочего колеса. Шумовой эффект в непосредственной близости ВЭС достигает 50-80 дБ. Отдельную экологическую проблему составляют шумовые воздействия установок мощностью более 250 кВт, когда на концах лопаток ветроколес большого диаметра скорости сверхзвуковые. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека. Примеры: установка мощностью 2 МВт с лопастью пропеллера 60 м производит такой шум, что ее нужно отключать в ночное время.

Современные относительно мощные ВЭУ производятся сейчас в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании, Великобритании. Как правило, они имеют трех- или, реже, двухлопастные роторы. Установка обычно рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 метров в секунду; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать лопасти и несущая мачта, -- 60 метров в секунду. Энергия вращения ротора передается на асинхронный генератор через редуктор и разъемную муфту, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. Хотя лопасти ВЭУ внешне похожи на вертолетные, условия их работы принципиально отличны. Лопастям придается специальная форма с сужением к концу для уменьшения шума от вращающегося ротора, капсула также имеет специальную звукоизоляцию. В результате уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ обычно не превышает 100 децибел.

Весьма перспективную концепцию, названную Windformer, предложила фирма ABB (ныне входящая в концерн ALSTOM). В этой ВЭУ, в отличие от традиционной, вместо обычного асинхронного генератора используется специальный генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, разъемная муфта, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 киловольт) преобразуется в постоянный ток. Несколько ВЭУ объединяются в группу (кластер), и энергия от них поступает по кабелям постоянного тока к общему преобразователю, подключенному к сети. Первая такая ВЭУ расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 метров и высотой мачты 70 метров сооружается в настоящее время в Швеции.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в России в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 суток. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.



3. Энергия земли и геотермальные электростанции

Энергетика земли - геотермальная энергетика - базируется на использовании природной теплоты Земли.

Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30°С в расчете на 1 км глубины, и, количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6^.10²⁶ Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ тонн угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6^.10⁹ Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. Эти запасы геотермальной энергии по оценкам ученых составляют около 200 ГВт, причем они распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на:

- гидротермальные конвективные системы;

- горячие сухие системы вулканического происхождения;

- системы с высоким тепловым потоком.

К первому типу геотермальных ресурсов (гидротермальные конвективные системы) относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые и грязевые озера. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты - горячей или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.

Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы. Использование этих энергетических ресурсов предусматривает устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещиноватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранее способов. Проще говоря, геотермальные электростанции такого типа работают по следующей схеме: вода закачивается в глубокую скважину, проникает в трещины горячего гранита, нагревается и по другой скважине поднимается на поверхность земли. После этого горячая вода попадает в теплообменник, и полученная от нее энергия расходуется для получения горячей воды или пара для турбин.

К третьему типу геотермальных ресурсов (системы с высоким тепловым потоком) относят зоны с высокими значениями теплового потока, располагаемого в глубокозалегающем осадочном бассейне. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 °С.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами -- для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятий. Для какой из этих целей она будет использоваться, зависит от формы, в которой она поступает в наше распоряжение.

Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого "сухого пара", т.е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии.

В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют от воды и затем используют для вращения турбин.

Наконец, в большинстве месторождений есть только горячая вода, и электрическую энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс, как уже отмечалось, относят к двухконтурному (бинарному) циклу. Горячей водой, естественно, можно также непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).

Промышленное освоение геотермальных ресурсов началось после создания и пуска в Италии в 1916 г. геотермальной электростанции (ГеоЭС) мощностью 7,5 МВт с тремя турбинами фирмы "Франко Този" мощностью по 2,5 МВт каждая. Однако широкое промышленное строительство ГеоЭС было развернуто только в 60-х г.г. XX-го века в США, Новой Зеландии, Японии, Исландии и других странах. К настоящему времени ГеоЭС используются в 58 странах.

Суммарная установленная мощность действующих на конец 2000 г. ГеоЭС по всем странам мира оценивается в 7,5 млн. кВт. Наибольший прогресс в этой области достигнут в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, причем только на создание новых технологий за последние 20 лет затрачено около 2 млрд. долларов США.

Использование низкотемпературной геотермальной энергии в мировой практике показывает, что большая ее часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. тонн у.т. и равно 7 % от мирового энергопользования в этой области.

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.п. Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом используются температуры пород в интервале 5-14 °С.

Эти технологии использования низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тысяч таких систем, со средней мощностью 10 кВт и общей мощностью не менее 2,2 ГВт.

Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50-100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве. Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом - для охлаждения зданий. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4-8 лет.

По прогнозам Мировой энергетической комиссии к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов (ГТН) в теплоснабжении составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии или 15-25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно-коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т. п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

В формировании энергетики России сектор теплоснабжения занимает важнейшее место, который является самым большим по объему потребляемых энергоресурсов (более 45% их общего потребления), причем электростанциями отпускаются более 34% всего тепла, котельными - примерно 50%. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем 1,3 раза. Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдельные районы России привело к объективному росту отпускных цен на электрическую и тепловую энергию.

Это принципиально изменяют отношения к использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, геотермальной. Так, развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах страны позволяет уже сегодня решать проблему электро- и теплоснабжения, в частности, на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе и в отдельных районах Сибири и европейской части России. В числе основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширение использования местных и нетрадиционных возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, геотермального тепла земли.

Уже в ближайшие 7 - 10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения, включая технологии приповерхностных геотермальных систем, можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива. И на это есть все основания.

Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть приумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500 метров в основном в зонах разломов земной коры. Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 220 єС. Однако, необходимо заметить, что применение геотермальной энергии не может однозначно рассматриваться как экологически чистое потому, что, например, пар, выходящий из недр земли, часто сопровождается газообразными выбросами, включающими сероводород и радон, которые считаются опасными.

Рассмотрим конкретные области применения геотермального тепла в России.

В 1965-1967 годах на Камчатке были построены две ГеоЭС: Паужетская, которая до сих пор работает и производит самую дешевую электроэнергию, и Паратунская - первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, являющаяся прототипом около 400 ГеоЭС, построенных в других странах. Однако после этого ГеоЭС не строились, так как цены на органическое топливо и его доставку были низкими, и строительство ГеоЭС считалось нерентабельным, а экологические проблемы в то время не были так актуальны.

В связи с изменением цен на топливо и транспорт, а также переделом форм собственности, в России в 90-е годы было создано несколько акционерных обществ: АО «Энергия», АО «Интергеотерм», АО «Наука» и другие, которые при поддержке Миннауки России, Минэнерго России, РАО «ЕЭС России» и РАН организовали производство отечественного оборудования для ГеоЭС и геотермальных тепловых станций (ГеоТС). Сегодня в России ГеоЭС и ГеоТС работают и строятся на Камчатке и на Курильских островах.

Верхне-Мутновская ГеоЭС (ВМГеоЭС) полностью создана Российскими учеными, специалистами и производителями оборудования (АО «КТЗ», АО «ЗиО» и другие) в короткие сроки, так как при этом был использован богатый опыт отечественного энергомашиностроения, в том числе атомной и оборонной промышленности. Одновременно с созданием ВМГеоЭС ОАО «Камчатскэнерго» построило ВЛ от Мутновского геотермального поля до города Елизово (77 км), которые успешно эксплуатируются уже 3 год, и мощную электроподстанцию в городе Елизово, способную принимать до 200 МВт.

Опыт эксплуатации Верхне-Мутновской ГеоЭС подтвердил правильность принятых научно-технических решений. Зимой 2001 года два энергоблока надежно работали и постоянно выдавали в электросеть мощность более 100% номинальной, а сейчас успешно работают все три энергоблока. Опытно-промышленная Верхне-Мутновская геотермальная электростанция - это самостоятельное ОАО, которое предназначено, прежде всего, для отработки нового оборудования, внедрения технологий в области геотермальной энергетики, исследования геотермального резервуара и производства электроэнергии.

Камчатка и ряд других регионов России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85 ?С, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Использование блочных ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока ВМГеоЭС и исследования комбинированной ГеоЭС с бинарным циклом. Сегодня потенциал Мутновского геотермального поля оценивается в 300 МВт.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. На значительной территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 220 ?С.

2. Геотермальная энергетика может и должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации энергетики Камчатской области, Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

3. В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии и геотермальная промышленность, позволяющие в короткие сроки построить серию геотермальных электрических и тепловых станций блочного типа.

4. Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20…25 %.



4. Энергия Мирового океана и ее использование

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км²) занимают моря и океаны - акватория Тихого океана составляет 180 млн. км², Атлантического - 93 млн. км², Индийского - 75 млн. км². Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор рассматривалась малоперспективной.

В числе основных установок, использующих энергию океана, рассматриваются:

1. Энергоустановки, использующие наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана - так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС)

2. Волновые электростанции (ВолЭС);

3. Приливные электростанции (ПЭС);

4. Электростанции морских течений (ЭСМТ).

4.1 Гидротермальные электростанции

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана, т.е. создания гидротермальных электростанций (ГиТЭС).

Как известно, Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25 - 30 °С. В то же время, температура воды на глубине 1 км не превышает 5 "С.

Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные (3,4 - 10)²⁴ Дж/год. Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции. Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25 -- 30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе. Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость электроэнергии на океанических ГиТЭС примерно соответствует этому показателю на современных ТЭС и АЭС, однако широкому внедрению таких электростанций препятствует нерешенность некоторых технических проблем, среди которых -- отсутствие достаточно эффективных и экономически приемлемых средств борьбы с интенсивной коррозией оборудования и трубопроводов. В экологическом отношении ГиТЭС безвредны, но если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникнет утечка, то это нанесет вред морской флоре и фауне.

В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана в электрическую энергию). Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная - 53 кВт; 12 кВт установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой воды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т.е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости его быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба-судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

...