Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Определение нетрадиционных и возобновляемых источников энергии мы записывали на первой лекции. Поэтому сразу перейдем к их классификации.

Все НВИЭ делятся по типу на топливные, нетопливные невозобновляемые и нетопливные возобновляемые.

Топливные в свою очередь подразделяют на:

• Сланцевый газ и сланцевая нефть

• Метан угольных месторождений

• Битуминозные пески

• Газогидраты

• Биотопливо

Нетопливные невозобновляемые подразделяют на:

• Термоядерная энергетика

• Нетрадиционная атомная энергетика (АЭС на быстрых нейтронах, тории, с газоохлаждаемыми реакторами)

• Водородная энергетика

Нетопливные возобновляемые подразделяют на:

• Ветроэнергетика

• Солнечная энергетика (в том числе космические солнечные электростанции)

• Геотермальная энергетика (использование тепла земных недр для теплоснабжения и для выработки электроэнергии на ГеоЭС)

• Океанские термодинамические тепловые электростанции (ОТЭС)

• Волновые, приливные электростанции, микроГЭС

Начнем с ветроэнергетики.

Ветер — один из первых источников энергии, освоенных человеком (ветряные мельницы).

Ветроэнергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, тепловой и электрической энергии и определяющая масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Основными достоинствами ветроэнергетики являются:

• простота конструкций и простота их эксплуатации;

• доступность этого поистине неисчерпаемого источника энергии.

К недостаткам следует отнести:

• непостоянство направления и силы ветра;

• возможность длительных простоев и вытекающая из этого необходимость аккумулирования и резервирования ветроэнергетических установок;

• отчуждение территорий и изменение традиционных ландшафтов.

Запишем ряд определений.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. ВЭУ состоит из ветроагрегата, устройства, аккумулирующего энергии и систем автоматического управления.

Ветродвигатель — двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии.

Теперь перейдем к основам ветроэнергетики.

При скорости ветра u, м/с, и плотности воздуха ρ, кг/м3, ветроколесо, ометающее площадь F, м2 развивает мощность Р, Вт, определяемую как

P = ξFρu³/2 (1.1)

Здесь ξ – коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и обычно близкий к 0,35.

Из формулы (1.1) видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой площади F и кубу скорости. Коэффициент мощности зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра. Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна плотности воздуха и кубу средней скорости.

Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м2 ометаемой площади мощность – порядка 300 Вт при значении ξ от 0,3 до 0,45.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 22 – 30% его максимального проектного значения.

Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15 – 20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра.

При сильном ветре, от 10 до 12 м/c, ветроустановки вырабатывают достаточно электроэнергии, которую иногда даже приходится сбрасывать в систему или запасать. Трудности возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра. Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью 8 м/с – очень хорошими. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановок применительно к местным метеоусловиям.

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована в энергетике, невозможно, так как эта оценка очень сильно зависит от уровня развития ветроэнергетики и ее потребителей.

Официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например, в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20%. При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнергетики может быть существенно большей.

Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах (отличающихся высокой стоимостью топлива), особенно в отдаленных районах и на островах.

Теперь разберем классификацию ветроэнергетических установок.

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

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

• По отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной или вертикальной осью вращения, параллельной (левый рис. 17.15) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (правый рис. 17.16).

Зарисуйте левый рисунок. Это ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения.

Цифрами на рисунке обозначены: 1 — рабочее колесо; 2 — гондола с генератором и редуктором; 3 — башня; 4 — фундамент установки.

Далее переходим к солнечной энергетике.

Солнечная энергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой или других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Солнечное излучение (СИ) — это процесс переноса энергии при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны — это поток элементарных частиц или фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м² в 1 с проходит 3·10²¹ фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).

Важнейшее достоинство солнечного излучения — безвредность для окружающей среды процесса превращения его энергии в полезные виды.

Источник солнечного излучения — Солнце — излучает в окружающее пространство поток мощности, эквивалентный 4·10²³ кВт.

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 500·10⁶ км². Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам составляет (0,85—1,2)·10¹⁴ кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии. Если использовать всего 0,1% всей поверхности Земли для строительства солнечных электростанций (СЭС), то их выработка превысит в 40 раз все потребление энергии человечеством.

Суммарное солнечное излучение (СИ), достигающее поверхности Земли, R_S обычно состоит из трех составляющих:

• R_пр — прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей;

• R_д — диффузное, или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение;

• R_отр — отраженная земной поверхностью доля солнечного излучения (для большей части поверхности Земли эта составляющая R_S обычно незначительна и не учитывается вообще или приближенно учитывается в расчетах). При этом в течение как коротких (минуты, часы), так и длительных (сутки, недели) интервалов времени в данной точке Земли может отсутствовать полностью или частично составляющая R_пр. Наконец, в ночные часы отсутствует и R_S в целом.

Это означает, что солнечная энергетическая установка (СЭУ) на Земле имеет нулевую гарантированную мощность при использовании только солнечного излучения (СИ) без сочетания с другими источниками энергии. Кроме того, солнечное излучение (СИ) достигает своего максимума в летний период, когда в России обычно происходит закономерное уменьшение потребления электроэнергии. Соответственно, максимум зимнего потребления энергии в стране приходится на период минимального прихода солнечного излучения (СИ).

Поток солнечного излучения (СИ) на Земле существенно меняется, достигая максимума в 2200 (кВт·ч)/(м²·год) для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400(кВт·ч)/(м²·год).

Продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

В то же время в мире уже сегодня солнечная энергетика весьма интенсивно развивается и занимает заметное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например в Германии. В этой стране, как и в ряде других развитых и развивающихся стран, принят ряд законов на государственном уровне, которые дают существенную поддержку развитию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и, в частности, солнечной энергетике. Без принятия указанных законодательных актов использование НВИЭ было бы практически невозможно, особенно на начальных этапах его становления.

Переходим к классификация солнечных энергетических установок. Классификация идет по следующим признакам:

• По виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии — тепло или электричество;

• По концентрированию энергии — с концентраторами и без концентраторов;

• По технической сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т.п.) и сложные.

Сложные СЭУ разделить на два подвида.

• Первый базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, СЭУ с параболоцилиндрическими концентраторами, а также солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

• Второй подвид СЭУ базируется на прямом преобразовании СИ в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Далее — солнечные коллекторы.

Солнечные коллекторы (СК) — это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования солнечного излучения в тепловую энергию в системах теплоснабжения (СТС) для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные.

Самыми простыми и дешевыми являются пассивные СТС, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение получают активные системы теплоснабжения со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечного излучения, которые по сравнению с пассивными системами теплоснабжения позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

• по назначению — для горячего водоснабжения, отопления, теплохладоснабжения;

• по виду используемого теплоносителя — жидкостные и воздушные;

• по продолжительности работы — сезонные и круглогодичные;

• по техническому решению — одно-, двух- и многоконтурные.

• Кроме того, все СТС делятся на две группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 17.13), и установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 17.14). Схемы показаны на следующем слайде.

Немного о солнечной фотоэнергетике.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

В настоящее время солнечные фотоэлектрические установки находят все более широкое применение как источники энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей.

За последние десятилетия фотоэнергетика сделала очень большие шаги в решении двух основных проблем: повышении КПД СФЭУ и снижении стоимости их производства.

Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД: монокристаллический — 15—16% (до 24% на опытных образцах); поликристаллический — 12—13% (до 16% на опытных образцах); аморфный — 8—10% (до 14% на опытных образцах). Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня же исследуются двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30%, а трехслойного — 35—40%.

Наконец, в последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ — арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30% при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры.