Лекция 13 Использование нетрадиционных источников энергии

Экономический ресурс возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мире в настоящее время оценивают в 20 млрд т у. т. в год, что в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива. Это обстоятельство указывает путь развития энергетики ближайшего будущего.

К ВИЭ относят: энергию Солнца, ветра, тепла Земли, энергию морей и океана, биомассу, новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород (дополнительные углеводородные ресурсы), а также некоторые виды топливных спиртов и водород.

Указанные энергоносители в процессе технологических превращений различной глубины и сложности позволяют получать продукцию, свойства которой сопоставимы с продукцией, получаемой за счет природного газа, угля, нефти и продуктов их переработки и тем самым могут обеспечить экономию традиционного энергетического сырья.

Главное преимущество этих энергоресурсов состоит в том, что большинство из них являются местным видом топлива, а районы наибольшей концентрации их сырьевой базы, как правило, испытывают определенные трудности в формировании своего ТЭБ. Хозяйственное освоение их будет не только способствовать оптимизации структуры ТЭБ этих районов, но и снижению напряженности транспортных грузопотоков.

Многие из нетрадиционных источников энергии являются сложными энергоресурсами, компоненты которых позволяют получать и нетопливную продукцию, широко применяемую в химии, строительной индустрии, сельском хозяйстве, металлургии и т. д. Например, термальные воды, горючие сланцы и битуминозные породы содержат в промышленных концентрациях литий, ванадий, никель, рубидий, серу и другие элементы, принципиальная возможность извлечения которых доказана. Минеральная составляющая горючих сланцев и битуминозных пород является исходным сырьем для производства изделий для дорожной и строительной индустрии. Рациональная утилизация различных видов отходов (биомасса) позволит получать высококачественные удобрения. Ресурсы этих видов энергии велики. Так, например, теплоту, которую можно извлечь из земной коры с глубины до 3 км, оценивают в 2 ∙ 10¹⁷ ккал, до 5 км - до 10 ∙ 10¹⁷ ккал; полная мощность солнечной радиации, приходящей к Земле от Солнца за год, составляет 1500 ∙ 10¹⁵ кВт∙ч и только 40 % ее достигает поверхности Земли. Энергопотенциал морских приливов и отливов оценивается в мире в целом - 3000 ГВт.

Основное преимущество ВИЭ - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия.

8.2. Ветроэнергетика

Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1966 г. до 12 000 МВт в 1999 г., прогноз на 2015 г. - 36 000 МВт. Страны-лидеры: Германия - 4444, США - 1819, Дания - 1752, Испания - 1539, Индия - 1100 МВт. Оборот ветроэнергетической индустрии в мире в 2004 г. составил 1,9 млрд долл. и увеличился по сравнению с предыдущим годом на 32 %.

Кинетическую энергию Экин (Дж) воздушного потока со средней скоростью и (м/с), проходящего через поперечное сечение F(м²), перпендикулярное ϑ, и массой воздуха т (кг) рассчитывают по формуле

Величину m определяют по формуле

,

где ρ - плотность воздуха, кг/м3.

При расчетах в качестве р часто принимают ее значение, равное 1,226 кг/м3 соответствующее нормальным климатическим условиям: t=15 °С, р = 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в качестве m принять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т. е.

В ветроэнергетике обычно используют рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ), классифицируют по следующим признакам:

- мощности - малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

- числу лопастей рабочего колеса - одно-, двух-, трех- и многолопастные;

- отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока с горизонтальной осью вращения, параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье).

В мире в настоящее время наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие конструктивные узлы: рабочее колесо, гондола с редуктором и генератором, башня и фундамент.

Конструкция башни чаще имеет трубообразную форму, реже - решетчатую, на ней в гондоле размещают основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

В настоящее время ВЭУ мощностью 100 кВт и выше построены в США, Канаде, ФРГ, Дании, Швеции, Нидерландах, Великобритании, Франции. ВЭУ мегаваттного класса построены в США, Швеции и ФРГ, создаются в Великобритании и Канаде.

Рис ?. Современная ВЭУ с горизонтальной осью вращения.

1 – лопасть; 2 – система разворота лопасти; 3 – втулка; 4 – дисковый тормоз; 5 – мультипликатор; 6 – гидромуфта; 7 – генератор; 8 – механизм системы поворота; 9 – тормоз системы поворота; 10 – датчик системы поворота