Возобновляемые и невозобновляемые энергетические ресурсы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возобновляемые и невозобновляемые энергетические ресурсы

Все источники энергии можно разделить на два класса.

1.Возобновляемые источники энергии -- это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Типичный пример такого источника -- солнечное излучение с характерным периодом повторения 24 ч. Возобновляемая энергия присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

2.Невозобновляемые источники энергии -- это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека. Вместо не совсем удобного термина «невозобновляемый» мы часто будем использовать термин «традиционный».

Схемы на рис. 4.1 поясняют смысл данных определений. В табл. 4.1 приведены сравнительные характеристики традиционных энергетических установок и установок на возобновляемых источниках энергии.

Источники энергии. Существует пять основных источников энергии:

солнечное излучение; 2) движение и притяжение Солнца, Луны и Земли; 3) тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в ее недрах; 4) ядерные реакции; 5) химические реакции различных веществ.

Источники 1--3 являются источниками возобновляемой энергии. Источниками традиционной энергии являются 1 (топливо на основе окаменелых органических соединений), 3 (горячие горные породы), 4 и 5.

Методы управления. Для согласования источников энергии с потребителями используются различные методы управления. Из изложенного выше следует, что в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии можно использовать три метода управления, основанные на сбросе излишков энергии, аккумулировании энергии и изменении нагрузки.

Рис. 5.1. Схемы процессов использования возобновляемой и невозобновляемой энергии: АБВ -- неиспользуемый поток возобновляемой энергии; ГДЕ -- используемый поток энергии.

Эти методы могут быть реализованы различными способами применительно ко всей энергосистеме или ее частям и иллюстрируются такими примерами (рис.4.2).

Система со сбросом излишков энергии. Потоки энергии возобновляемых источников существуют постоянно, и если их не использовать, они будут безвозвратно потеряны. Тем не менее метод управления, основанный на сбросе части этой энергии, может оказаться самым простым и дешевым. Такой метод управления используется, например, на ГЭС (рис.3.2,а), в системах обогрева зданий солнечным излучением с управляемыми заслонками, в ветроколесах с измен. шагом.

2. Системы с накопителями (аккумуляторами) энергии. Накопители могут аккумулировать энергию возобновляемых источников как в ее исходном, непреобразованном виде, так и в преобразованном, после энергоустановки. В первом случае управление запасами возобновляемой энергии такое же, как и запасами невозобновляемой энергии. Основной недостаток систем регулирования с такими накопителями -- их относительно высокая стоимость, сложность использования в небольших энергоустановках и при реализации дистанционного управления.

Например, водохранилище, показанное на рис.4.2,б, сооружается, как правило, на гидростанциях мощностью не менее 10 МВт. Механические же системы регулирования расхода воды становятся чрезмерно громоздкими и дорогими на станциях мощностью более 10 кВт. Недостатком водохранилищ является также ущерб, наносимый ими окружающей среде. В качестве накопителей преобразованной энергии можно использовать аккумуляторные батареи, электролизные установки и т. д. Такие накопители особенно выгодны на небольших энергоустановках и в настоящее время уже устарели.

Системы с регулированием нагрузки. Такие системы поддерживают соответствие между спросом и предложением энергии за счет включения и выключения необходимого числа потребителей. Схема небольшого регулятора такого типа для бытового электроснабжения показана на рис.4.2, в. Такое регулирование может применяться в любых системах, но наиболее выгодно оно при наличии большого числа разнородных потребителей.

Рис 5.2. Примеры использования различных методов управления. Сброс излишков воды позволяет поддерживать постоянное давление на входе гидротурбины (а). Использование электрического накопителя энергии на гидроэлектростанции без водосброса (б). Управление нагрузкой (управление с прямой связью) (в); система регулирования автоматически перераспределяет энергию между потребителями, поддерживая постоянной суммарную нагрузку. Этим обеспечивается стабильный режим работы электрогенератора:

1 -- нагрузка; 2 -- турбина с генератором; 3 -- аккумулятор; 4 -- подача воды под напором; 5--канал управления; 6-- электронное распределительное устройство; 7 -- различные потребители.

Существенными недостатками солнечной и ветровой энергии являются относительно низкая плотность энергетических потоков (для солнечной энергии среднегодовая мощность не превышает 200-250 Вт/м², а для ветра (при средней скорости ветра 5-6 м/с) - менее 100 Вт/м², а также их нерегулярность и зависимость от сезонных и погодных условий.

В такой ситуации основной научно-технической проблемой создания эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии является проблема аккумулирования энергии.

Как показывают отечественные и зарубежные исследования, применение в составе солнечно-ветровых установок водородных накопителей, представляющих собой комбинацию электролизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и батареи топливных элементов, обеспечивающих эффективное (практически без потерь) долгосрочное аккумулирование энергии, может обеспечить кардинальное решение указанной выше проблемы аккумулирования энергии и позволит создать полностью автономные экологически чистые автоматизированные солнечно-ветровые энергоустановки с высокими потребительскими качествами.

Изложенное выше определяет целесообразность проведения расчетных и экспериментальных исследований в обоснование оптимальных конфигураций автономных энергоустановок, состава и конструкции комплектующего оборудования с учетом реальных климатических условий эксплуатации и особенностей потенциальных потребителей.

Упрощенная структура автономной энергоустановки на ВИЭ изображена на рис. 4.3. В состав рассматриваемой энергоустановки входят первичные источники энергии: фотоэлектрические преобразователи и ветроустановка, выработка энергии которыми, как правило, существенно не совпадает с графиками потребления энергии потребителем, который, в общем случае, нуждается в электроэнергии, в тепловой энергии, а также, в ряде случаев, и в холоде. В этой ситуации ключевым компонентом автономной системы является система аккумулирования, преобразования и вторичной генерации энергии. Для обеспечения наиболее эффективного преобразования первичных видов энергии и удовлетворения нужд потребителя энергоустановка должна быть снабжена «умной» системой автоматического управления.

Рисунок 5.3. Основные компоненты автономной энергоустановки на ВИЭ

Выработка энергии фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и ветроустановкой сильно зависит от климатических условий эксплуатации установки. Мощность ФЭП изменяется во времени пропорционально облученности их рабочей поверхности солнечным излучением. Мощность ветроустановки на основном рабочем участке пропорциональна кубу скорости ветра. Поступление солнечного излучения на поверхность земли, также как и скорость ветра, изменяются в зависимости от погодных условий, имеют ярко выраженные суточные и сезонные зависимости. Так, среднемесячный летний приход солнечного излучения в средних широтах в 4-5 раз превышает среднемесячное поступление в зимние месяцы.

Для краткосрочного аккумулирования электроэнергии (до нескольких часов) в составе автономных энергоустановок используются электрохимические аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надежность становятся, как правило, неприемлемыми при попытках построить систему аккумулирования долгосрочного хранения энергии. В этой ситуации включение в состав энергоустановки водородного накопителя энергии (рис. 4.2), представляющего собой комплекс из электролизера воды, ресиверов водорода и кислорода необходимой емкости, в которых газы хранятся под давлением, и батареи топливных элементов, оказывается привлекательным, поскольку такое техническое решение позволяет решить проблему долгосрочного хранения энергии практически без потерь.

энергетический ресурс возобновляемый

Рисунок 5.4. Схема водородного накопителя

Вместе с тем, обеспечение большого ресурса работы топливных элементов и электролизеров требует стабилизации режимов потребления / отбора мощности; их эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена. В этой связи целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются различные источники электрической энергии, одни из которых, ввиду их высокой энергоемкости (топливные элементы), можно рассматривать как источники энергии, а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) - как источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления мощности нагрузкой. Согласовать режимы работы источников энергии и мощности можно с помощью соответствующих электронных преобразователей.

Итак, разработка полностью автономной эффективной энергоустановки, использующей в качестве первичных источников энергии солнечную и ветровую энергию, связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя. Решение задачи создания таких оптимальных автономных энергоустановок возможно лишь на основе сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, основные направления которых обсуждаются ниже.

Размещено на Allbest.ru