Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Нетрадиционные источники энергии

Современный темп роста потребления энергии с учетом рос­та населения невозможно обеспечить без использования новых источников, более эффективных, чем сжигание угля, нефти и газа₇ По данным ЮНЕСКО, примерно 2 млрд жителей Земного шара не имеют доступа к использованию электрической энер­гии в силу проживания в удаленных регионах, где не развита электроэнергетика. Исчерпаемость запасов органического топ­лива, а также сильное загрязнение окружающей среды продук­тами его сгорания уже в ближайшее время могут привести че­ловечество к энергетическому и экологическому кризисам.

Не нарушая экологического состояния окружающей сре­ды и не отказываясь от достижения целей экономического развития, можно обеспечивать значительную часть энерге­тических потребностей за счет использования возобновляе­мых источников энергии

Преимуществами альтернативных (нетрадиционных и во­зобновляемых) источников энергии по отношению к атом­ной энергетике и сжиганию ископаемого органического топ­лива являются их экологическая безопасность, доступность и возможность локального использования. Использование возобновляемых источников энергии является одним из при­оритетных направлений в энергетической политике нашего государства, но их доля в топливном балансе республики пока чрезвычайно мала.

. Структура альтернативной энергетики

Потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в Республике Беларусь (млн т у. т. в год)

Вид источника энергии	Общий потенциал	Технически возможный потенциал
Древесно-растительная масса
Отходы гидролизного производства (лигнин)		0,6
Твердые бытовые отходы	0,52	0,2
Гидроэнергия	1,8	1,2
Энергия ветра	0,03	0,02
Энергия солнца	2,7-106	0,6
Растительная масса	1,52	0,5

Солнечная энергетика

Плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м².

Основными направлениями солнечной энергетики высту­пают фотоэнергетика и гелиоэнергетика. Первая связана с прямым преобразованием потока солнечной энергии в элек­тричество, вторая - с утилизацией тепла при помощи актив­ных и пассивных теплоиспользующих систем.

В 1993 г. суммарная мощность установленных на Земле солнечных батарей достигала 500 МВт,в 1996г. - 700МВт, ежегодный прирост составляет около 10 %. Есть основания утверждать, что к 2025 г. солнечная энергетика будет обес­печивать до 10 % всей электрической энергии, производи­мой в мире. Стоимость электроэнергии, получаемой от сол­нечных установок, достаточно быстро снижается.

Солнечные батареи. Энергия солнечной радиации мо­жет быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых ма­териалов. Срок их службы практически не ограничен. Ба­тареи имеют высокую надежность и стабильность, малую массу, отличаются простотой в обслуживании, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет созда­вать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными.

Переход на гетеросоединения типа арсенидов галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиа­ции с кратностью концентрации 50-100 позволяют повы­сить КПД солнечных батарей до 35 %.

. Солнечные эле­менты последовательно соединяются в модули, которые па­раллельно соединяются в батареи.

Башенные и модульные электростанции. Строятся сол­нечные электростанции (СЭС) в основном двух типов: ба­шенного и распределенного (модульного).

В башенных СЭС центральный приемник с полем гелиоста­тов (плоских зеркал) обеспечивает увеличение плотности пото­ка солнечной энергии в несколько тысяч раз. Управление сис­темой слежения за Солнцем осуществляется с помощью ЭВМ.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введе­на в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростан­ция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт.

Ее 1600 гелиостатов, имеющих коэффициент отражения 0,71 и площадь 25,5 м² каждый, концентрируют солнечную энер­гию на центральный приемник, представляющий собой от­крытый цилиндр, установленный на башне высотой 89 м и служащий парогенератором.

В соответствии с прогнозом, в будущем СЭС займут 13 млн км² на суше и 18 млн км² в океане.

Солнечный пруд. СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной систе­мой ориентации.

В солнечном пруду происходит одновременное улавлива­ние и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Солнечная энергия, проникающая через всю мас­су жидкости в пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости до тем­пературы 90-100 °С, в то время как температура поверхнос­тного слоя остается на уровне 20 °С.

Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты. Основным конструктивным элементом солнечной установ­ки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Раз­личают два типа солнечных коллекторов: плоские и ф о -кусирующие. В плоских коллекторах солнечная энер­гия поглощается без концентрации, а в фокусирующих -с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступаю­щего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках явля­ется плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его рабо­та основана на принципе "горячего ящика". Максимальная температура нагрева теплоносителя в плоском коллекторе не превышает 100 "С.

Для работы установок, требующих высокой температу­ры, которую невозможно получить с помощью плоских на­гревателей, используют фокусирующий солнечный коллек­тор. Такой коллектор включает в себя приемник, поглоща­ющий излучение и преобразующий его в какой-либо дру­гой вид энергии, и концентратор, который представляет со­бой оптическую систему, собирающую солнечное излуче­ние с большой поверхности и направляющую ее на прием­ник. При этом концентратор вращается, ориентируясь на наиболее интенсивное излучение. Концентрация солнечной энергии позволяет нагреть поверхность теплообмена до 700 °С и более, что достаточно для работы теплового двига­теля с приемлемым КПД. В этом случае коллектор переда­ет энергию теплоносителю, который поступает в генератор электроэнергии.

Система солнечного теплоснабжения зданий. В пассив­ных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструк­ции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществ­ляется за счет естественной конвекции без применения вен­тилятора. В 2000 г. в странах Европейского сообщества пас­сивные гелиосистемы позволили сэкономить 50 млн т нефти.

В состав активной системы солнечного отопления вхо­дят: коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообмен­ники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор и далее к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с ар­матурой и комплекс устройств для автоматического управ­ления работой системы. Солнечный коллектор обычно уста­навливается на крыше дома, остальное оборудование гелио­системы отопления и горячего водоснабжения дома разме­щается в подвале.

Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верх­ней части здания.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффектив­но осуществляться при соблюдении следующих условий:

- оптимальная ориентация дома - вдоль оси восток-за­пад или с отклонением до 30° от этой оси;

- на южной стороне расположены 50-70 % всех окон, а на северной - не более 10 %, причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные - трехслойное;

- здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружно­го воздуха;

- внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомога­тельных помещений - с северной;

- должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулиру-ющая способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной энергии;

- для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т. п.

КПД такой системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но в особо благоприятных климатических услови­ях может быть значительно выше и достигать 60 %.

Солнечные водонагревательные установки. Сейчас во всем мире в эксплуатации находится более 5 млн солнеч­ных водонагревательных установок, используемых в инди­видуальных жилых домах, централизованных системах го­рячего водоснабжения жилых и общественных зданий, вклю­чая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреж­дения и т. п. Налажено промышленное производство сол­нечных водонагревателей в Японии, Израиле, США, Австра­лии, Индии, ЮАР, во Франции, на Кипре и других странах.

Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости. По принципу работы их можно разделить на два типа: уста­новки с естественной и принудительной циркуляцией теп­лоносителя.

Солнечная водонагревательная установка с естественной циркуляцией содержит коллектор солнечной энергии. В бак аккумулятора подводится холодная вода, и из его верхней части отводится потребителям горячая.

Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией теплоносителя содержит тепловой коллектор сол­нечной энергии и аккумулятор тепловой энергии (бак с тепло­носителем). В аккумуляторе находится теплоприемник, где на­гревается вода. Нагретая вода циркуляционным насосом пода­ется потребителю, а холодная возвращается в аккумулятор.

Ветроэнергетика

Потенциал энергии ветра в мире сравним с потреблением энергии странами ЕС в начале нашего столетия. В развитых странах ветроэнергетика развивается быстрыми темпами. С 1997 по 2002 г. производственные мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) увеличились на 30 %

Мощность установленных ветроэлектростанций в Герма­нии, Америке, Испании, Дании в сумме составляет 82 % от общемировых.

На территории Германия работает около 14 000 турбин. В настоящее время 4,7% всей электроэнергии в стране вырабатывается за счет энергии ветра, к 2010 г. прогнозиру­ется увеличение до 10 % и к 2030 г. - до 25 %.

В США в настоящее время потребляется около 1 % элек­троэнергии, полученной на основе энергии ветра. По прогно­зам специалистов к 2020 г. эта энергия составит 6 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии.

В Дании ветер дает не менее 18 % всей энергии. Круп­ный прирост мощностей наметился в Голландии, где в 2005 г. на ветроэнергетику приходилось около 5 % электроэнергии из возобновляемых источников.

Большая часть ветроэнергетических установок использу­ется для производства электроэнергии в единой энергосис­теме и в автономных режимах. Стоимость электроэнергии от ветроустановок стабильно понижается: в 1983 г. стоимость 1 кВт-ч составляла 1220 центов, в 1989 г. - 6-10, в 1996 г. -5-8, в 2005 г. - 4-5 центов. С начала 80-х гг. производство энергии за счет энергии ветра стало на 80 % дешевле и на сегодняшний день уступает в цене лишь природному газу.

По оптимистическим прогнозам, ветроэнергетика способ­на давать миру не менее 7 % потребляемой электроэнергии.

Малые ветряные турбины (от 0,025 до 50 кВт) чаще всего являются самым дешевым источником энергии для отда­ленных населенных пунктов, не подключенных к комму­нальной электросети. Комбинированные системы (ветер -фотоэлементы, ветер - дизель и другие сочетания) часто яв­ляются наиболее эффективными и экономичными для сель­ской электрификации. Для небольших ветроэлектрических турбин среднегодовая скорость ветра должна быть около 4 м/с, а для ветротурбин, приводящих в действие водяные насосы, - еще меньше. Для коммунальных ветроэлектрос-танций минимальная скорость ветра составляет около 6 м/с.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодо­вое производство электроэнергии ветроэнергетическими установ­ками составляет до 25-30 % максимального проект­ного значения. Срок службы ВЭУ не менее 15-20 лет, а их стоимость -от 1 000 до 1 500 долларов США за 1 кВт проектной мощности.

Ветроустановки классифициру­ются по основным признакам гео­метрии колеса и его положения относительно ветра.

Если ось вращения ветроколеса расположена параллельно воздуш­ному потоку, установку называют горизонтально-осевой; если перпен­дикулярно - вертикально-осевой.

Основными элементами ветро-генераторов являются ветроуста-новка, электрогенератор, система управления параметрами генериру­емой электроэнергии (регулирует скорость вращения ветроколеса при изменении скорости ветра), аккумуляторы электроэнергии или другие электроэнергети­ческие установки (на период безветрия). Основным рабочим органом ВЭУ, принимающим на себя энергию ветра и преоб­разующим ее в кинетическую энергию своего вращения, яв­ляется ветроколесо. Мощность ВЭУ определяется характе­ристиками ветроколеса. Ветроколесо характеризуется:

- заметаемой площадью S - площадью, покрываемой его лопастями при вращении, S - nD²1 А, где D - диаметр колеса;

- геометрическим заполнением, т. е. отношением площа­ди проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную по­току, к заметаемой площади;

- коэффициентом мощности, характеризующим эффектив­ность использования потока ветра через заметаемую пло­щадь, (зависит от конструкции ветроколеса);

- коэффициентом быстроходности, определяемым отноше­нием скорости конца лопасти к скорости ветра.

Мощность ветроколеса Р определяется по формуле

P = l/2C_pSpo³,

где С - коэффициент мощности; S - заметаемая площадь; р-плотность воздуха; О3 - скорость ветра.