Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮТЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -

МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА»

(ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)

РЕФЕРАТ

На тему: Ресурсная и технологическая база возобновляемых

источников электроэнергии (ВИЭ)

Москва, 2015



Введение

Термин «возобновляемые источники энергии» применяется по отношению к тем источникам энергии, запасы которых восполняются естественным образом, прежде всего, за счет поступающего на поверхность Земли потока энергии солнечного излучения, и в обозримой перспективе являются практически неисчерпаемыми. Это, в первую очередь, сама солнечная энергия, а также ее производные: энергия ветра, энергия различных видов биомассы, рост которой связан с процессами фотосинтеза, энергия водных потоков, морских волн, низкопотенциальное тепло окружающей среды и т.п. К возобновляемым источникам энергии относят также геотермальное тепло, поступающее на поверхность Земли из ее недр, энергию морских приливов, обусловленных, прежде всего, гравитационным взаимодействием Земли и Луны, а также некоторые источники энергии, связанные с жизнедеятельностью человека (органические отходы промышленных и сельскохозяйственных производств, бытовые отходы и т.п.). В принципе, источником энергии является любая система, не находящаяся в равновесии с окружающей средой, и в этой связи набор потенциальных источников возобновляемой энергии весьма широк.

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органического топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 году может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.

Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее планеты в энергетическом плане. Что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века энергия играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 млрд киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2020 году будет произведено 30 тысяч млрд киловатт-часов! Гигантские цифры, огромные темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше. Так зачем же остановка? энергия электричество геотермальный тепло

Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые и специалисты различных сфер. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики на грядущие десятилетия. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ (запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах).

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в деньгах, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда, а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ.

Сейчас в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения.

Рассмотрим подробнее каждый вид источников возобновляемой энергии.



1. Гелиоэнергетика (использование Солнечной энергии)

Солнечная энергетика -- использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнце является источником тепла и света на Земле. Оно излучает в мировое пространство громадное количество энергии, часть которой перехватывает земля. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Количество тепла, даваемое солнцем, достаточно для того, чтобы расплавить ежегодно слой льда мощностью в 36 м, покрывающий всю земную поверхность при t = 0° С. Другие источники энергии ничтожны. Луна и звёзды нам посылают очень мало тепла. Собственная теплота земли оказывает ничтожное действие на температуру земной поверхности и прилегающих слоёв атмосферы. 1 смІ земной поверхности получает благодаря ей только 54 млн кал в год, что составляет около 1/5000 доли тепла, посылаемого солнцем. Нагревание Земли, следовательно, происходит, главным образом, от Солнца.

Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечную энергию использовали для обогрева домов ещё в Древней Греции. Солнечный коллектор для подогрева воды был впервые сконструирован в XIX в. Становление же современной "солнечной" энергетики (гелиоэнергетики) произошло уже в середине XX в. Наиболее благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на территориях южнее 50-й параллели (в России это южнее линии Курск - Воронеж - Саратов - Оренбург). Но это не означает, что на других территориях использование солнечной энергии совсем не эффективно, даже в условиях Подмосковья солнечные батареи работают весьма эффективно

Распределение солнечной энергии на Земле

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 мІ, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/мІ (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря -- 1020 Вт/мІ. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения -- эффекта, вызванного природным (вулканизм) и техногенным загрязнением атмосферы пылевыми и другими частицами, в результате чего количество излучения Солнца, попадающего на поверхность Земли, уменьшается. Эффект сильно зависит от географического положения, но в общем по Земле составляет порядка 5% за 1960--2010 г.

Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Что же касается самого её преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи трёх технико-технологических способов.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Гелиотермальная энергетика

Первый способ, гелиотермальная энергетика который получил наиболее широкое распространение, - это теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на крышах домов под определённым углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода, воздух, антифриз) на 40-50°С по сравнению с температурой окружающей среды. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону.

Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°С. КПД установки - 40%.

Их применяют также для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и т.д. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле около 1 млн. солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой свыше 70% жителей этой страны. Солнечные коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в действие насосных установок).

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов

Второй способ заключается в преобразовании солнечной энергии уже не в тепловую, а в электрическую, причём "напрямую" - при помощи фотоэлектрических установок (солнечных батарей) на кремниевой основе - наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г. Хотя получаемая при их помощи электроэнергия продолжает оставаться ещё весьма дорогой (около $0,20 за 1 кВт/ч), некоторые страны развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов. Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка фотоэлектрических элементов.

Преобразование энергии в фотоэлементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры фотоэлементов может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Солнечные электростанции промышленных маштабов

Наконец, третий способ, характеризуется промышленными масштабами. Он также обеспечивает превращение солнечной энергии в электрическую, и реализуется при помощи сооружения собственно солнечных электростанций, которые подразделяются на два вида - параболические и башенные

Солнечные параболические концентраторы.

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400°C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север--юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором. С 1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт/ ч. Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт. В июне 2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году построено около 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами. Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки.

Жидкость в приемнике нагревается до 1000°С и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий. Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов.

Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482°C.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВт. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288°C и проходит через приемник, где нагревается до 565°C, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

"Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550°C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Достоинства солнечной энергетики

Общедоступность и неисчерпаемость источника. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды. Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечной энергетики

Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций. Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990--2015 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год. Недостаточный КПД солнечных элементов вероятно, будет вскоре увеличен.

Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.



2. Ветроэнергетика

Сущность технологий использования

Ветер -- поток воздуха, движущийся относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с. Ветры над большими площадями образуют обширные воздушные течения -- муссоны, пассаты, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы. Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления и направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за убывания силы трения.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные, устанавливаются государством, или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети. Получается самая настоящая электростанция, которая имеет название - ветропарк. Ветропарк - это сосредоточение большого количества ветрогенераторов на одной территории и объединенных в единую сеть. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) - полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС - высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Сегодня мировая ветроэнергетика - бурно развивающаяся индустрия с миллиардными оборотами. Благодаря ВЭС Германия, например, покрывает 7% своего энергопотребления; Дания с помощью ветроэнергетики планирует довести этот показатель до 50% к 2030 г.! В настоящее время в России также отмечается рост интереса к ветроэнергетике - появляется много желающих пользоваться бесплатным и повсеместно доступным энергоресурсом - ветром.

Однако, развитие сетевой ветроэнергетики (ветряки, оживляющие европейские ландшафты, относятся именно к этой категории) в России дело проблемное: для эффективной работы сетевых ветрогенераторов необходимо, во-первых, подключение их к сети сопоставимой мощности и, во-вторых, высокое качество электроэнергии, обеспечиваемое этой сетью. Кроме того, отсутствует законодательная и нормативная база, позволяющая независимым производителям продавать электроэнергию энергосистемам и даже включать свои генерирующие мощности в эту энергосистему. Плюс достаточно низкие (скорее всего, ПОКА низкие) тарифы на электроэнергию…

А вот для частного использования (коттеджи, загородные дома и т.д.) ветрогенераторы подходят практически идеально. Ветроэнергетика в нашей стране сегодня только зарождается (точнее говоря, возрождается), поэтому пока нет, так называемых, "хорошо зарекомендовавших себя" (имеются в виду, главным образом, длительные сроки эксплуатации) моделей ветрогенераторов отечественного производства. Но есть "специально изготавливаемые" и хорошие "западные".

Ветрогенераторы отечественного производства мощностью от 1 кВт до 10 кВт могут обеспечить электропотребности "среднего" коттеджа. Неоспоримым преимуществом ветрогенераторов отечественного производства является то, что в отличии от большинства западных образцов, наши установки способны работать в экстремальных условиях: при очень низкой температуре и большой скорости ветра!

Ветрогенератор - это экологичное оборудование. Использование возобновляемой энергетики позволит существенно снизить или полностью исключить расходы на топливо, возведение линий электропередач, плановый ремонт оборудования. Ветроэнергетика позволяет не зависеть от тарифов, и платежей за подключение к сети. Срок службы ветроэлектростанций колеблется от 20 до 25 лет, без существенных затрат на эксплуатацию. Энергия ветра неиссякаема, и наша страна обладает богатейшими ветроэнергетическими ресурсами и огромным потенциалом для развития ветроэнергетики.

Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год, по всему миру с установленной мощностью 196600 МВт в 2015 году, и широко используется в странах Европы и США.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Они делятся на две группы:

1.ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);

2.ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, 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. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных. В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. 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.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов - повышающий редуктор не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, 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. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Достоинства ветроэнергетики

Ветроэлектрическая станция (ВЭС) являются экологически чистыми станциями. Точнее, надо сказать так: ВЭС оказывают принципиально иной спектр воздействия на окружающую среду, нежели традиционные энергоустановки. Отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, элекрическую).

Недостатки ветроэнергетики

Низкая плотность энергии, приходящейся на единицy площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о технической осуществимости и целесообразности сооружения и эксплуатации ветровых энергетических установок небольшой мощности для удаленных поселков и отгонных пастбищ, а также в аграрном секторе.

Другая неожиданная особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.

Работа ветровых установок неблагоприятно влияет на работу телевизионной сети. Вот какой любопытный пример можно привести в этой связи. Несколько лет тому назад от жителей Оркнейских островов (Великобритания) стали поступать необычные жалобы. Оказалось, что при работе ветровой станции, построенной на одном их холмов, возникают такие сильные помехи в работе телевизионной сети, что на экранах телевизоров пропадает изображение. Выход нашли в строительстве рядом с ветровой установкой мощного телевизионного ретранслятора, который позволил усиливать телевизионные сигналы. По имеющимся данным, ветровая энергетическая установка мощностью 0,1 МВт может вызвать искажение телевизионных сигналов на расстоянии до 0,5 км.

3. Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия вырабатывается за счет движения воды. Это относится к электроэнергии, вырабатываемой морскими приливными электростанциями или речными гидростанциями, либо гравитацией.

Морская гидроэлектроэнергия включает в себя энергию волн, приливов и отливов, а также энергию, получаемую от разности солености и температур океана.

Гидроэлектроэнергия получается при естественном круговороте воды или стоков, которые собираются в реках и озерах в результате дождей и снегопадов. Электричество вырабатывается либо от естественного течения реки, образуя электроэнергию непрерывно и изменяется в зависимости от природной скорости потока, либо путем выборочного спуска воды из водохранилищ в зависимости от необходимости.

Гидроэлектроэнергия образуется, когда вода проходит через турбину, приводя в движение генератор. Во время этого процесса энергия воды передается турбине, так как она вызывает крутящий момент через вращательное движение воды вокруг турбины. Гидравлические турбины имеют ряд лопастей, установленных на вращающемся валу или на вращающейся пластине. Водяная струя бьет в лопасть турбины , которая присоединена к генератору с помощью вала, и поворачивает их. Этот импульс переносится непосредственно или через редуктор на вал генератора. Как и в любых других электростанциях, электроэнергия распределяется в места спроса посредством линий электропередач.

Гидроэлектростанции на реках

Гидроэлектростанции на реках имеют различные размеры и обычно подпадают под один из следующих видов:

плотинные ГЭС;

русловые ГЭС; или

гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Все они используют турбины для выработки электроэнергии при движении воды. На вид выбираемого объекта обычно влияют вопросы технической пригодности (например, особенности рельефа и водообеспеченность) и вида вырабатываемого электричества (базовая или пиковая нагрузка).

Плотинные ГЭС

Принцип работы плотинных ГЭС основан на хранении воды в водохранилищах, которая может быть спущена для выборочного электроснабжения. Когда затворы плотины открываются, сила притяжения тянет воду через «напорный водовод» (канал между резервуаром и турбиной).

Плотины увеличивают давление потока посредством наращивания хранимого объема воды. Спущенная вода проходит через «напорный водовод». Как только вода проходит через турбину, она возвращается в реку вниз по течению.

Русловые ГЭС

Русловые ГЭС вырабатывают гидроэлектроэнергию для немедленной передачи и/или потребления с ограниченной возможностью или без возможности хранения. Хранение, которое доступно в ограниченном виде, называется «водохранилищем». Станции без водохранилища обычно служат в качестве пиковых электростанций, а станции с водохранилищем могут служить либо базовыми, либо пиковыми генераторами.

Русловые ГЭС идеально подходят для рек с минимальным стоком в сухую погоду или регулируемых большими по размеру плотинами при наличии водохранилища, расположенного вверх по течению.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)

ГАЭС работает посредством перемещения воды между бассейнами, расположенными на разных уровнях. В периоды низкого спроса на электроэнергию дополнительная выработка мощности используется для перекачки воды в верхний бассейн; при наличии спроса вода спускается обратно в нижний бассейн, вращая турбину.

Гидроаккумулирующие электростанции используются в основном для выработки электроэнергии в периоды максимального спроса. Такие схемы в настоящее время обеспечивают наиболее коммерчески важную крупномасштабную систему накопления энергии и улучшение суточного коэффициента нагрузки энергосистемы.

Морская гидроэлектроэнергия

Сегодня энергия морских волн осваивается в основном только на прибрежной полосе, где уверенно скользят сёрфинги. Однако, на поверхности морей и океанов можно вырабатывать энергию, накапливаемую морскими волнами практически на всей акватории Мирового Океана. Морские волны в основном носят разрушительный характер, размывая береговую линию и находящиеся там постройки.

Попытки использования энергии морских волн, как источника энергии предпринимаются достаточно давно. Существует множество разработок волновых преобразователей, часть из которых реализуется в той или иной мере. Наиболее известные проекты - поплавковая ГАЭС, ГЭС, плот Коккерела, качающаяся «утка» Солтера, колеблющийся водяной столб, пульсирующий водяной столб Массуды.

Поплавковые ГЭС

Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн

В основе установки - 2 поплавка, способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками находится “насосная станция” (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами. Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив - телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой “приливной” колонне крепится насос с верхним поплавком. Вода подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, - давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует нижнего водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эта установка решает проблему неравномерности силы волн.

Плот Коккерела

Другой вариант преобразователей энергии такого типа - контурный плот Коккереля, который был испытан в проливе Солент вблизи города Саутгемптона.

Вариант построения ВЭС по принципу плота Коккерела был реализован в проекте «Волновая ферма» компанией Pelamis Wave Power. Четыре секции устройства, соединенные шарнирно, под воздействием волн изгибаются, что приводит в действие гидроцилиндры, которые перекачивают масло на гидромоторы привода генераторов. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю, опущенному на дно, передается на берег.

Лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 процентов. Это ниже, чем у «утки» Солтера, но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным.

«Утка» Солтера

Профессор Эдинбургского университета Стефан Солтер придумал «колеблющееся крыло», преобразователь, отслеживающий профиль волны. Система поплавков (20-30 штук) движется вверх-вниз, между поплавками расположены турбины (в натурных испытаниях в бассейне система поглощала до 90% энергии волны), электричество по подводному кабелю передается на землю. Первые испытания в море начались в 1977 году. Предполагается расположить станцию западнее Гебридских островов, предполагаемая мощность - около 100 МВт.

Серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

- необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора.

- необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности.

- необходимость, вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн, отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования.

- большие ударные нагрузки от воздействия максимальных волн.

- затруднения при сборке и монтаже из?за сложности формы «утки».

Колеблющийся водяной столб

Другой вид волновых установок - с пневматическим преобразователем - использует энергию колеблющегося водяного столба.

Принцип действия здесь таков. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток регулируется так, чтобы проходить через турбину в одном направлении.

Как вариант - используется турбина Уэльса. Это воздушная турбина низкого давления, имеющая симметричную аэродинамическую поверхность лопаток, позволяющую им вращаться всегда в одну сторону, независимо от направления потока воздуха или жидкости. Достигается это тем, что рабочее тело, попадая на лопатку, разделяется непропорционально - отклонение в одну сторону всегда больше, чем в другую. Принцип работы турбины Уэльса схож с принципом подъема крыла самолета.

Известны как минимум два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии и в Великобритании.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеблющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного сечения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредственного воздействия соленой морской воды.

Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия). Здесь водяной столб используется в 500 киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.

Недостатками таких преобразователей являются низкий КПД и большая материалоемкость.

Достоинства гидроэнергетики

Использование возобновляемой энергии. Очень дешевая электроэнергия. Работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки гидроэнергетики

Затопление пахотных земель. Строительство ведётся там, где есть большие запасы энергии воды, на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов. Сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелётных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергетика -- направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 Вт/мІ), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. Мировые запасы геотермальной энергии составляют: для получения электроэнергии - 22400 ТВтч/год, для прямого использования - более 140 ТДж/год тепла. Существующие геотермальные электростанции (ГеоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100°C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в России, Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика.

Гидротермальная энергетика

Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место - ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления.

Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин. Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло. В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия.

Большое достоинство ГЭ - возобновляемость и универсальность: возможность использовать для водо- и теплоснабжения, или для выработки электроэнергии, или для всех трех целей сразу. Но главное - это геотермальная энергия, плюсы и минусы которой зависят не столько от местности, сколько от кошелька заказчика.

На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно- коммунальных хозяйств.

В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем. Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде. Подземные источники применяются для полива полей, обогрева почвы, поддержания постоянной температуры и влажности в оранжерее или теплице.

Одна из наиболее перспективных сфер - частный сектор, для которого геотермальная энергия - это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь - при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.

Исследования в этом направлении идут постоянно: более чем в 70 странах ведется разведка потенциальных месторождений, в 60 освоено промышленное использование ГЭ. Перспективными выглядят сейсмически активные районы (как это видно на примере Исландии) - штат Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, страны Центральной Америки, Филиппины, Исландия, Коста-Рика, Турция, Кения. Эти страны имеют потенциально выгодные не исследованные месторождения. В России это Ставропольский край и Дагестан, остров Сахалин и Курильские о-ва, Камчатка. В Беларуси определенный потенциал есть на юге страны, охватывая города Светлогорск, Гомель, Речица, Калинковичи и Октябрьский. Достаточно перспективным является полуостров Крым, тем более что большая часть потребляемой им энергии импортируется извне.

В числе преимуществ этого вида энергии следующие: она возобновляемая и практически неиссякаемая; независима от времени суток, сезона, погоды; универсальна - с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество; геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду; не вызывают парникового эффекта; станции не занимают много места.

Однако имеются и недостатки: геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси; при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования - из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан; постройка станции относительно дорога - это удорожает и стоимость энергии в итоге.

Петротермальная энергетика

На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин - до 1 км.

С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне). Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. Выглядит это так: теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Нагретый поднимается по концентрично опущенной трубе, отдавая свое тепло, после чего, охлажденный, при помощи насоса подается в обсадную. В основе использования энергии земных недр лежит природное явление - по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100°С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20°С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300-1500єС.

Достоинства: Утилизация «сухого» глубинного тепла могла бы открыть для энергетики поистине неисчерпаемые возможности. Когда бурение на 8-10 км станет делом технологически освоенным и экономичным, ГеоТЭС можно будет сооружать в любой географической точке, где возникнет надобность в энергетике. Особенно нужной петротермальная энергия может оказаться в районах освоения Сибири и Севера.

Недостатки: Суть проблемы здесь примерно та же, что и в солнечной энергетике: чтобы повысить единичную мощность станции, собирать тепло с как можно большей площади. Есть проекты по созданию больших подземных полостей или разветвленных систем трещин в горных породах обычными или ядерными взрывами. Но для этого требуется тщательно изучить массу вопросов, прежде всего выяснить, не вызовет ли наша столь активная деятельность нежелательных изменений в тектонике земной коры.



Заключение

Необходимо принять серьезные меры по энергосбережению, которые позволят стабилизировать энергопотребление с 2015 по 2020 годы. Вклад различных отраслей экономики сильно отличается. При сегодняшнем уровне технологий и политической поддержке, оказываемой выработке электроэнергии из возобновляемых источников, поставленную цель на 2016 год можно достичь. Для достижения общей цели требуется более весомый вклад от наиболее успешных технологий.

Мировая практика показывает, что объекты возобновляемой энергетики (солнечные фотоэлектрические элементы, малые ветровые турбины и т.д.) показали себя экономически более эффективными, чем традиционные электростанции, и в некоторых секторах промышленного производства: морская и речная навигация, катодная защита трубопроводов и устьев скважин, энергоснабжение морских газовых и нефтяных платформ, энергоснабжение телекоммуникационных устройств и т.д. Область применения возобновляемой энергетики в мировой промышленности постоянно расширяется, затрагивая все новые направления. Помимо выработки электричества при относительно более низких затратах в специфических условиях, промышленное использование ВИЭ способствует созданию нового рынка возобновляемой энергетики, что стимулирует ускоренное развитие инновационных технологий для нестандартной области применения.

...