Реферат: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии 1 мти

Бахматов Дмитрий

класс 10, МОУ СОШ №8 Советского района г. Волгограда

Попова Нина Ивановна

научный руководитель, педагог высшей категории, преподаватель физики, МОУ СОШ № 8 г. Волгограда

Вступление

Нетрадиционными источниками энергии являются солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин. Эти варианты получения энергии как дополнительной используются в последнее время всё чаще. Многие учёные убеждены, что к 2030-2050 гг. нетрадиционные (возобновляемые) источники энергии будут основными, а традиционные потеряют своё значение.

Цель статьи: познакомиться с нетрадиционными источниками энергии, их достоинствами и недостатками, а также выяснить для себя перспективы внедрения возобновляемых источников энергии на территории Волгоградской области.

Сегодня подавляющее большинство людей знают о том, что запасы углеводородов не беспредельны, что органическое топливо нужно беречь. Вот почему изучение и использование нетрадиционных источников энергии является актуальным. Многие страны довольно широко используют нетрадиционные источники. Уже несколько лет в Волгоградской области внедряются энергосберегающие установки с использованием энергии ветра, солнца, гидроресурсов, отходов сельского хозяйства, так как этому способствуют географическое положение и климатические условия нашего региона.

Солнечная энергия

Солнечная энергия неисчерпаема. Существует несколько вариантов её использования. При физических способах усвоения солнечной энергии используют гальванические батареи, которые поглощают её и преобразуют в тепловую или электрическую энергию, либо системы зеркал, отражающих лучи солнца и направляющих их на заполненные маслом трубы, которые концентрируют солнечное тепло. Волгоградская область находится на юге нашей страны, значит, в перспективе нехватку энергии без проблем можно компенсировать за счёт солнечной энергии. А вот жителям Крайнего Севера, Сибири, Якутии и т. д. в этом плане сложнее. Я считаю, что в этой местности как раз можно использовать солнечные коллекторы для обеспечения населения электроэнергией, особенно летом. Использование солнечных коллекторов может частично решить экологическую проблему и использовать энергию для бытовых нужд (подогрев воды, обогрев теплиц и т. д.). Наиболее успешно солнечная энергетика развивается в Японии и Израиле, где за её счёт почти полностью покрывается потребность в отоплении жилья и подогреве воды для бытовых нужд. «Совместный алжирско-японский проект SaharaSolarBreederобещает превратить пустыню Сахара в чащу солнечных батарей, способных к 2050 г. обеспечить до половины мировых потребностей в электроэнергии» . В принципе солнечную энергию можно использовать в любом уголке земли.

Одним из наиболее перспективных источников энергии на Земле является биомасса, так как она доступна в неограниченных количествах. Биомасса делится на первичную и вторичную.

Древесину, отходы сельскохозяйственного производства, высушенные водоросли, которые перерабатываются в спирт и т. д., затем используют для получения энергии. Биологическим вариантом использования солнечной энергии является и получение биогаза из навоза, который сбраживается без доступа воздуха. В настоящее время в мире накопилось много мусора, который ухудшает состояние окружающей среды. Мусор губительно влияет на людей, животных, птиц, на всё живое на земле. Такие свалки находятся вблизи моего пос. Горьковский Советского района г. Волгограда: за железнодорожной горкой вдоль Ростовской трассы перед селом Рогачик, в балке с. Песчанка, на ст. Бирюзовая и т. д. Много стихийных свалок образовалось вдоль балок устья реки Царица. Подобных свалок огромное количество во всех как крупных, так и мелких городах и селениях нашей страны. В связи с этим, я думаю, что нужно развивать энергетику с использованием вторичной биомассы, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. У меня появилась мысль исследовать свалки посёлка, выяснить, сколько мусора вывозится и сколько его нужно, чтобы обеспечить мой посёлок электроэнергией, полученной от сжигания мусора. Мои расчеты показали, что пос. Горьковский сможет себя обеспечить энергией биомассы за счёт своего же мусора. Причём с биомассой практически весь мусор будет сжигаться, и отходов почти нет. Так будет решена проблема уничтожения мусора и обеспечения посёлка электроэнергией при минимальных затратах. Прекрасно можно решить эту проблему и в других городах, что уже решается успешно в западных странах. В ходе исследования мною был проведён небольшой социологический опрос среди населения пос. Горьковский, результаты которого показали, что большинство участников опроса положительно относятся к использованию энергии биомассы.

Преимущества биоэнергии

Это возобновляемая энергия, которая не увеличивает концентрацию углекислого газа в атмосфере, решает проблему использования отходов (мусора), а, значит, помогает улучшить экологию и сделать мир чище.

Солнечную радиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или электрическую энергию, удобную для практического применения. В южных районах нашей страны созданы десятки солнечных установок и систем.

Достоинства солнечной энергетики

Достоинства солнечной энергетики заключаются в общедоступности и неисчерпаемости источника, в полной безопасности для окружающей среды, это экологически чистый источник энергии, что очень важно именно теперь.

Недостатки солнечной энергетики

Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно. Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.

Использование энергии ветра

Человечество научилось использовать энергию ветра на ранней стадии своего развития. Ветряные электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Современный ветряк - сложное устройство. В нём запрограммирована работа в двух режимах - слабого и сильного ветра и остановка двигателя, если ветер станет очень сильным. Недостатком ветряных двигателей являются шумы, которые производят лопасти пропеллера во время вращения. Если ветряк мощный, то шумовое загрязнение делает опасным длительное пребывание людей в зоне работы установки. Наиболее оправданы небольшие ветряки для обеспечения дешевой и экологически безопасной электроэнергией отдельных ферм, дачных участков. К числу передовых стран по использованию энергии ветра относятся: Германия, Дания, Испания, США. В России за последние 5 лет построено несколько ветроэнергетических установок: в Башкирии, в Калининградской области, на Командорских островах, в Мурманске. Перспективно использование ветроустановок в Калмыцких степях, граничащих с Волгоградской областью, так как там ветры дуют, как правило, постоянно и только в одном направлении. В настоящее время там довольно широко используются ветроустановки для обеспечения электроэнергией небольших населённых пунктов Колмыкии. По окраинам Волгограда тоже расположены ветряки местного назначения. Автономные ветроэлектроустановки появились в удалённом от электрических сетей пос. Осипово Калачёвского района, на чабанских точках Волгоградской области. Обсуждается проект первого в России ветропарка мощностью 1 ГВт, который будет построен в Волгоградской области. Общая мощность ветроагрегатов в России превысила 10 МВт.Простейший способ использования энергии ветра впрок состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. «Особенно перспективно развитие ветроэнергетики в комплексе с другими возобновляемыми источниками для энергоснабжения изолированных населённых пунктов, удалённых от других энергоисточников» .

Недостатки ветровой энергетики

Прежде всего, ветроустановки неблагоприятно влияют на работу телевизионной сети. Другая 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.

Достоинства ветровой энергетики

Отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и т. д. Возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона.

Приливные электростанции (ПЭС)

«За счёт использования энергии приливов в России можно покрывать более 25 % текущего энергопотребления страны» .Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская) мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции нужен бассейн, перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор. По принципу действия гидравлические турбины подразделяют на: активные и реактивные; по конструкции - на вертикальные и горизонтальные. Мощность гидрогенераторов от нескольких десятков до нескольких сотен МВт. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. В России c 1968 года действует «экспериментальная» ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря мощностью 0,4 МВт. Это первая и пока единственная приливная электростанция в России. В 2006 году на станции был установлен опытный образец наплавного блока, на котором расположен оригинальный гидроагрегат ОГА-5 мощностью 1,5 МВт.«Начиная с 1966 года, два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счёт приливных электростанций» . В Урюпинском районе Волгоградской области для освещения наплавного моста через Хопёр была построена мини-ГЭС волнового типа, работающая на энергии течения воды. Наличие Волги, Дона и малых рек диктует грамотное использование гидроресурсов Волгоградской области.

Недостатки приливных электростанций

Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым - условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.

Достоинства приливных электростанций

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Не загрязняет атмосферу. Дешёвая и возобновляемая энергия. Сокращает уровень добычи, транспортировки и сжигания органического топлива.

Использование геотермальных источников

В этом случае подразумевается использование тепла земных глубин (глубинных горячих источников). Это тепло можно использовать практически в любом районе, но затраты окупаются только там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры. Это районы активной вулканической деятельности и гейзеров, например, Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага, Исландия, Новая Зеландия.Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип - это подземные бассейны естественных теплоносителей - горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип - это тепло горячих горных пород. Это даёт возможность получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях. Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается в очень слабой концентрации геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования.

Преимущества геотермальных источников

Во-первых, их запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива. Считаю, что эта цифра в последнее время изменилась в сторону увеличения. Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. А это не так уж и мало.

Недостатки геотермальных источников

Главная проблема заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности, так как эти вещества оказывают губительное действие на всё живое на земле.

Заключение

Я пришёл к выводу, что нетрадиционную энергетику необходимо внедрять в жизнь. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы использования энергии. Потребление электроэнергии - важный показатель жизненного уровня. Трудно переоценить значение и перспективы использования возобновляемых источников энергии в современном мире. Пока у нас есть солнечный свет, ветер и вода, у нас будет доступ к мощной энергии, заключённой в этих источниках. Чистая энергия солнца, ветра и воды - фундамент энергетики будущего, энергетики, основанной на ничтожно малых выбросах. Необходимо, чтобы государствам стало более выгодно использовать энергию чистых источников. Сейчас начинается новый этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, а заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию. Моё поколение должно быть готово к практическому использованию возобновляемых источников энергии.

Список литературы:

1. Аркуша М.И. Элективный курс «Энергетика и окружающая среда», 11 класс. - Волгоград: 2010 г.
2. Калашников Н.П. «Альтернативные источники энергии» М.: Знание 2008 г.
3. Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии - География в школе. 4/88 - М.: Педагогика. 2008 г.
4. Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. - М.: Наука, 2009 г.
5. Ревелль П., Ревелль Ч. «Энергетические проблемы человечества» Мир, 2005 г.
6. Физика № 7 2011 г. Изд.дом Первое сентября
7. Экология и право (Возобновляемая энергетика) г. СПб. 2008 г.
8. Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И. - М.: Энергоатомиздат. 2005 г.
9. Энергия и окружающая среда (учебное пособие для ср. школы) г. СПб. 2008 г.

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 газа 7 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)

Солнечная энергетика

Плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м 2 .

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 1996 г. - 700 МВт, 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 1 600 гелиостатов, имеющих коэффициент отражения 0,71 и площадь 25,5 м 2 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 км 2 на суше и 18 млн км 2 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 - nD 2 1 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 p Spo 3 ,

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

Понятие устойчивого развития включает в себя как обязательный компонент постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива (нефть, уголь, газ и др.), к нетрадиционной (альтернативной) энергетике, использующей возобновляемые экологически чистые источники энергии ¾ солнце, ветер, энергию биомассы, подземное тепло и др. (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Классификация возобновляемых источников энергии
(Энергоактивные здания, 1988, с изм.)

В послании международной экологической организации Гринпис правительствам всех стран отмечается, что «правительства должны признать, что углеводородное топливо ¾ основная причина изменения климата и что единственной стабильной системой энергоснабжения, способной отвечать нашим энергетическим потребностям, может быть система, основанная на возобновляемых источниках энергии».

Основные преимущества возобновляемых источников энергии хорошо известны: практическая неисчерпаемость запасов (рис. 21.5) и относительная экологическая безвредность, в связи с отсутствием побочных эффектов, загрязняющих природную среду. Сдерживает их развитие недостаточный на сегодняшний день технический уровень индустриальных методов использования.

В жилищно-строительной сфере, как и во всех других видах человеческой деятельности, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии получило широкое развитие.

Энергия Солнца . В современной мировой практике энергоснабжения излучение Солнца ¾ возможно, главный нетрадиционный источник энергии. Появилась новая отрасль энергетики ¾ гелиоэнергетика , созданы специальные энергетические установки ¾ гелиосистемы.

«Ливень» солнечной энергии неисчерпаем. Лишь незначительная часть излучения Солнца (0,02%) попадает в биосферу Земли, но и этого количества энергии достаточно, чтобы в тысячи раз перекрыть общую мощность всех электростанций мира.

К недостаткам солнечной энергии относят дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий. Например, в России специалисты рекомендуют размещать гелиополигоны южнее 55° с. ш. В связи с этим многие зарубежные ученые работают над проблемой выноса гелиосистем на околоземную орбиту. Предполагается строительство в Европе 40 спутниковых солнечных электростанций , способных обеспечить около 20% потребности в электроэнергии. Однако не исключено, что солнечные электростанции могут причинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на Землю (А. И. Мелуа и др., 1988).

Существует два основных направления использования солнечной энергии: выработка электрической энергии и получение тепловой энергии (теплоснабжение). Применение солнечных электрогенераторов находится все еще в начальной стадии, зато использование солнечного теплоснабжения для обогрева жилых зданий занимает в мировой практике уже значительное место.

Так, в США в 1977 г. насчитывалось около 1000 солнечных домов, в 90-е гг. число их превысило 15 тыс. Солнечные установки для подогрева воды имеют 90% домов на Кипре и 70% в Израиле. Только за последние 15 лет в Японии построены сотни тысяч зданий с солнечным подогревом, что позволило резко уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов.

Солнечная энергетика в России развита совершенно недостаточно, хотя половина ее территории находится в благоприятных для использования солнечной энергии условиях ¾ в год ее поступает не менее 100 кВт ч/м 2 , а в таких районах, как Дагестан, Бурятия, Приморье, Астраханская область и др. ¾ до 200 кВт ч/м 2 (Стребков, 1993).

Солнечная энергия очень удобна для энергоснабжения зданий. Как показали экспериментальные исследования, только за счет энергии солнечных лучей, падающих на ограждающие конструкции зданий, можно полностью решить энергетические проблемы, связанные с их обогревом, горячим водоснабжением и др.

Существует три вида гелиосистем, служащих для удовлетворения тепловых нужд здания: пассивные, активные и смешанные (Швецов, 1994).

В пассивных гелиосистемах само здание служит приемником и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвенции.

Основным элементом более дорогостоящей активной гелиосистемы является коллектор ¾ приемник солнечной энергии, где солнечный свет преобразуется в тепло. Гелиоколлектор представляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие (стекло или пленку), попадает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водоснабжение.

Оценивая эффективность применения солнечного теплоснабжения в нашей стране, Н. Пинигин и А. Александров (1990) показали, что использование солнечных установок в режиме круглогодичного горячего водоснабжения зданий экономически целесообразно практически для всей южной части Российской Федерации.

В последние годы созданы установки с сезонным аккумулированием тепла, что позволяет даже в условиях Сибири сохранить до 30% топливных ресурсов и использовать их для обогрева небольших домов в зимний период. Необходимы дальнейшие поиски использования солнечной энергии не только в южных, но и в северных районах России, особенно учитывая, что в Норвегии и Финляндии такой опыт уже имеется.

Использование солнечной энергии в жилищно-строительной сфере не ограничивается только теплоснабжением жилых зданий. Так, АО «ПИ-2» разработало серию проектов гелиополигонов (стационарных и мобильных, сезонных и круглогодичного действия), в которых впервые в мире для термовлажностной обработки сборных железобетонных конструкций и изделий была использована солнечная энергия без промежуточных превращений (Великолепов, 1995) (рис. 21.6). После укладки гелиопокрытия (СВИТАП) железобетонное изделие превращается в аккумулятор тепла, после чего начинает действовать другой источник тепла ¾ экзотермия цемента.

Рис. 21.6. Общий вид и технологическая схема гелиополигона круглогодичного действия:
1 ¾ гелиокамеры; 2 ¾ форма на колесах; 3 ¾ СВИТАП; 4 ¾ запирающий щит;
5 ¾ инфракрасные излучатели; 6 ¾ механизм передвижения форм; 7 ¾ производственный корпус с БСЦ;
8 ¾ бетоновозная эстакада; 9 ¾ склад арматурных каркасов; 10 ¾ бетоноукладчик;
11 ¾ склад готовой продукции с зоной дозревания; 12 ¾ козловой кран

Строительство таких гелиополигонов позволяет: сократить объемы строительно-монтажных работ, повысить долговечность и качество изделия, снизить его стоимость, отказаться от котельной, теплотрасс, пропарочных камер, уменьшить нагрузку на окружающую среду и, главное, экономить условное топливо. По мнению авторов проекта, необходимо пересмотреть способы производства сборного железобетона и создать условия для широкого внедрения энергосберегающих технологий, использующих солнечную энергию.

В заключение приведем высказывание лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова (2001) по поводу использования солнечной энергии: «Солнце ¾ это термоядерный реактор, который работает миллионы лет надежно и безопасно. И задача преобразования солнечной энергии в электрическую будет решена. Может быть, даже в нашем ХХI веке. Академик Иоффе мечтал о солнечной энергетике и ее широком применении, когда КПД солнечных преобразований равнялся 0,1%. Сегодня КПД солнечных преобразований на гетероструктурах достиг 35%. Да, это по-прежнему дороже, чем атомная энергетика. Но дороже не на порядок, а лишь в несколько раз. И хочется верить, что лет через пятнадцать - двадцать солнечная энергетика будет сравнима или даже обойдет другие виды».

Завораживающей сознание выглядит идея, предложенная японскими специалистами, о строительстве единой для всей планеты гигантской солнечной электростанции где-нибудь в Сахаре или пустынях Австралии. Для этой станции потребовалась бы площадь, эквивалентная квадрату со стороной 800 км. Но уже сейчас суммарная площадь солнечных отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м 2 (США ¾ 1,8 млрд м 2 , Япония ¾ 1,3 млрд м 2 и т. д.).

Энергия ветра. Направление энергетики, связанное с ветровой энергией, называют ветроэнергетикой , а здания, в которых энергия ветра преобразуется в электрическую, тепловую и другие виды энергии, ¾ ветроэнергоактивными .

Ветроэнергетика становится рентабельной при средних скоростях ветра от 3 до 10 м/с при повторяемости около 60-90% и, следовательно, может использоваться лишь в районах с постоянным ветром (Крайний Север, побережье Охотского моря, Камчатка, Курилы, Прикаспийская низменность и др.).

В ветроэнергоактивном здании энергия ветра преобразуется с помощью ветрового колеса, размещенного в здании. Основным рабочим органом является ротор, который вращает генератор.

По А. Н. Тетиору (1991), важной экологической проблемой является защита здания и жителей от механических колебаний, генерируемых ветроустановкой. Применение различных способов виброизоляции, включая размещение ветроэнергетических установок вне жилых зданий, приводит к удорожанию их строительства. Значительным недостатком ветроэлектростанции является также генерация ими инфразвукового шума.

И, тем не менее, ветроэнергетика имеет большое будущее. За последние 20 лет она прошла путь от небольших агрегатов до современной многомиллиардной отрасли, обеспечивающей большое количество энергосистем. В 2001 г. ветротурбины, мощность которых составляла 14 000 МВт, генерировали «чистую» электроэнергию в более чем 30 странах мира. Только в США работает 9000 ветровых электроустановок, в Дании ¾ 1500. По данным Европейской ассоциации ветровой энергии, к 2020 г. ветровые электростанции обеспечат 10% мировой потребности в электроэнергии.

Геотермальная энергия. На территории СНГ запасы еще одного нетрадиционного источника энергии ¾ геотермального тепла , оцениваются в десятки миллионов тонн условного топлива. Идея использования тепла Земли как альтернативного энергоресурса не нова. Еще в 20-е гг. ХХ в. К. Э. Циолковский и В. А. Обручев считали возможным использование геотермального тепла. К началу ХХI в. мощность энергии геотермальных систем в мире превысила 16 млн кВт ч, что достаточно для обогрева многих тысяч квартир. Исландия полностью отказалась от использования органического топлива, и широко использует геотермальные воды.

Наиболее экономически выгодный вариант использования геотермального тепла ¾ строительство ГЭС с использованием водяного пара (температурой 200-400 °С). К сожалению, месторождения термального пара в России, да и в мире, редки, поэтому основное применение находят геотермальные (теплоэнергетичекие) воды с температурой до 200 °С, выходящие на поверхность земли в виде источников. Достаточно упомянуть в связи с этим Паужетскую гидротермальную станцию, построенную в 1967 г. на Камчатке.

Перспективным направлением в энергосбережении специалисты считают извлечение тепловой энергии из водонасыщенных пластов, залегающих на глубинах 2-3 км и имеющих температуру 150-200 °С. На выбранной площадке бурятся вертикальные и наклонные нагнетательные скважины, по которым закачивается теплоноситель, который прогревается горячими породами, а затем откачивается. Подобная теплоэнергетическая система называется циркуляционной и ее применение вполне целесообразно во многих районах СНГ (Северный Кавказ, Крым, Армения, Закарпатье и др.). Первая в России термоциркуляционная система действовала в г. Грозном, где вода после использования в теплицах нагнеталась на глубину 1 км, там она вновь нагревалась.

Энергия биомассы . Биомасса ¾ это выраженное в единицах массы количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема. В процессе переработки она преобразуется в органические отходы и биогаз.

В настоящее время биомасса широко используется в качестве топлива, что является результатом постоянных усилий ученых и специалистов по созданию экологически чистой энергии и предотвращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

В энергетических целях биомассу либо сжигают, используя теплоту сгорания (в этом случае продукты пиролиза могут загрязнять атмосферу), либо перерабатывают путем анаэробного сбраживания с целью получения биогаза (рис. 21.7). Биогаз, состоящий на 60-70% из метана и на 20-40% из углекислого газа, получают в специальных установках, основной частью которых является реактор (метантенк), т. е. бродильная камера, в которую загружают биомассу.

Рис. 21.7. Принципиальная схема переработки ТБО методом
анаэробного компостирования для получения биогаза:
1 ¾ приемный бункер; 2 ¾ мостовой грейферный кран; 3 ¾ дробилка; 4 ¾ магнитный сепаратор;
5 ¾ насос-смеситель; 6 ¾ метантенк; 7 ¾ шнековый пресс; 8 ¾ рыхлитель; 9 ¾ емкость для сбора
отжима; 10 ¾ цилиндрический грохот; 11 ¾ упаковочная машина; 12 ¾ крупный отсев;
13 ¾ склад удобрений; 14 ¾ газголдер; 15 ¾ компрессор; 16 ¾ уравнительная касера; I ¾ направление
движения отходов; II ¾ направление движения биогаза

Материалом для переработки на биогазовых установках служат твердые бытовые отходы, навоз, отходы деревообработки (кора, опилки, стружки), осадки биологических очистных устройств и др.

С экологической точки зрения укажем на некоторые отличительные особенности использования этого энергетического направления:

1) биотехнологическая трансформация биомассы в энергию считается абсолютно безвредной;

2) в отличие от традиционных источников энергии данный метод не загрязняет окружающую среду;

3) вырабатывается не только энергия, но и одновременно природная среда очищается (освобождается) от продуктов жизнедеятельности и других отходов.

После очищения от углекислого газа и сероводорода биогаз сжигают и используют в стандартных водонагревателях, газовых плитах, горелках и других приборах.

В строительной сфере биогаз, как показывает мировой опыт, широко используется как источник экологически чистой энергии при производстве многих строительных материалов: гипса, стекла, керамзита и др. Доказано также, что при сухом способе производства цемента экологически и экономически выгоднее во вращающихся обжиговых печах использовать не традиционные источники энергии, а биогаз.

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относят также энергию приливов, энергию ветровых волн, тепловые насосы, энергию температурных колебаний различных слоев морской воды и т. д.

Перспективным методом использования нетрадиционных источников энергии считается объединение ряда зданий в единую энергосистему в виде гелио- и ветрогелиокомплексов, а также ветроэнергоактивных комплексов, дополненных тепловыми насосами для трех сред (Селиванов, 1993). Эксплуатация подобных жилищно-энергетических комплексов позволит не только экономить невозобновляемые источники энергии, но и исключить или свести к минимуму вредное воздействие энергетики на окружающую среду.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ

ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

Часть 2

НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Состояние и перспективы использования нетрадиционных и

Возобновляемых источников энергии

Традиционные и нетрадиционные источники энергии

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

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.

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 ивысвобождается в результате целенаправленных действий человека. В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН(1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.

Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика России в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т.у.т в год:

Энергии Солнца – 2300;

Энергии ветра – 26,7;

Энергии биомассы – 10;

Тепла Земли – 40000;

Энергии малых рек – 360;

Энергии морей и океанов – 30;

Энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла – 530.

Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. т.у.т., торфа – 10 млрд. т.у.т.

По имеющимся оценкам, технический потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал НВИЭ определен в 270 млн. т у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.

Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а объем замещения органического топлива – около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год. Положительным фактором для развития НВИЭ в России является начавшееся создание законодательной базы. Так, Законом «Об энергосбережении» в 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. Предполагается развивать производственные мощности оборудования нетрадиционной энергетики, на что будет выделено 1,315 млрд. рублей: 17% из федерального бюджета, остальные – из региональных и местных бюджетов.

В мае 2003 г. на рассмотрение правительства России вынесена «Энергетическая стратегия России на период до 2020г.». Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

Сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

Снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;

Обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

Снижение расходов на дальнепривозное топливо.

Необходимость развития возобновляемой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:

Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;

Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений;

Снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.

В последнее время растет интерес к нетрадиционной энергетике у региональных АО-энерго и местных администраций.

Оценки показывают, что к 2010 г. может быть осуществлен ввод в действие около 1000 МВт электрических и 1200 МВт тепловых мощностей на базе возобновляемых источников энергии при соответствующей государственной поддержке.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

СОЛНЕЧНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ

Крупнейшие солнечные электростанции

Кремер-Джанкшен-США-60.000кВт-1987г. - коллекторный

приёмник.

Деггет-США-45.000кВт-1985г. - коллекторный приёмник.

Борреро-Спрингс-США-15.000кВт-1985г. - фотогальванические преобразователи.

Солар-1-США-12.500кВт-1982г. - башенный преобразователь.

Корриза-Плейн-США-6.500кВт-1984г. - фотогальванические преобразователи.

Бет–Ха-аравах-Израиль-5.000кВт-1984г. - прудный приёмник.

Крымская-Украина-5.000кВт-1986г. - башенный приёмник.

БИОЭНЕРГЕТИКА. БИОМАССА КАК

ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Биомасса – это органические соединения углерода. Энергия биомассы возникает в результате фотосинтеза под действием сол­нечного излучения, в процессе образования органических веществ и аккумулирования в них химической энергии.

Поток солнечной энергии, преобразуемый на Земле в результате фотосинтеза, составляет 250 кВт на человека, что эквивалентно 250000 крупных АЭС (по 6 млн. кВт каждая). Для сравнения – мощность электрических станций на планете составляет около 0,8кВт на человека.

В результате фотосинтеза образуются углеводы, содержащие углерод в соединениях с кислородом и водородом (например, глюкоза C 6 H 12 O 6 или сахароза C 12 H 22 O 11 ). В процессе соединения с кислородом при сгорании или гниении биомассы выделяется тепло. При сжигании биомассы в кислороде выход тепла составляет 16 МДж/кг или 4,4 кВт·час на 1 кг сухого веса.

Основными источниками биомассы являются:

· лесоразработки и отходы переработки древесины,

· сахарный тростник,

· зерновые и другие, продовольственные и технические культуры, продукция энергетического растениеводства,

· отходы животноводства (навоз),

· городские стоки, мусор (твердые бытовые отходы).

Переработка биомассы, связанная с извлечением энергии осуществляется термохимическими, биохимическими и агрохимическими способами. Термохимические способы – это прямое сжигание и пиролиз, биохимические – спиртовая ферментация и анаэробная переработка, агрохимические – экстракция топлив прямо от живых растений (например, получение каучука).

Сжигание биотоплива с получением тепла используется для приготовления пищи, обогрева жилищ, для сушки зерна, получения электроэнергии и т.д.

Приготовление пищи и сжигание топлива в традиционных, часто примитивных "устройствах" – неэффективно. Их К.П.Д. часто не превышает 5%. Велики потери из–за неполного сгорания, уноса тепла ветром, испарения из открытого котла и т. д. Процесс можно улучшить совершенствованием методов приготовления (например, паровые сковородки), уменьшением тепловых потерь (теплоизоляция печей, конструкция нагревателей), улучшением сгораемости топочных газов, применением простых и надёжных методов управления нагревателями. Применение древесного угля, принудительной подачи воздуха позволяет повысить эффективность плит и печей до 50%.

Другие направления по совершенствованию процесса сжигания биотоплива – это применение в качестве топлива печей биогаза, использование солнечных кухонь.

В этих процессах в качестве биотоплива широко применяется древесина. Древесину можно считать возобновляемым источником энергии только при условии, что скорость её прироста превышает скорость уничтожения.

Пиролиз (сухая перегонка) – это процессы нагрева или частичного сжигания органического сырья для получения производных топлив или химических соединений. Сырьём служит древесина, отходы биомассы, городской мусор, уголь. Продукты пиролиза – газы, смолы и масла, древесный уголь, зола. Разновидность пиролиза – газификация – предназначена для максимального получения газообразного топлива. Пиролиз осуществляется в газогенераторах. Схема газогенератора представлена на рисунке 3.1. Газогенератор состоит из следующих элементов:

1- печь, куда подается и частично сжигается при недостатке воздуха 2 перерабатываемая биомасса,

3- газопровод,

4- выход древесного угля,

5-биогаз от других печей,

6-сепаратор,

7-производные жидкости и летучие соединения (эфиры, фенолы, уксусная кислота, метанол и др.),

8-сушилка для сельскохозяйственной продукции,

9-обогрев помещений и приготовление пищи,

10-газгольдер,

11-крышка газгольдера,

12-трубопровод генераторного газа,

13-двигатель внутреннего сгорания,

14-электрический генератор.

Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают, измельчают. Температура в печи

Рис.3.1. Схема газогенератора

зависит от соотношения воздух – горючее. Проще всего управление установкой при температуре ниже 600ºС. При более высоких температурах - сложнее управление, но увеличивается содержание водорода в вырабатываемом газе.

Перегонка идёт в 4 стадии:

• 100-120ºC подаваемый в газогенератор материал опускается вниз и освобождается от влаги,
• 275ºC –отходящие газы в основном состоят из N 2 ,CO и CO 2 ; извлекается уксусная кислота и метанол,
• 280-350ºC – начинается реакция выделения летучих химических веществ таких, как эфиры, фенолы и др.,
• свыше 350 ºС – выделяются все типы летучих соединений, одновременно с образованием углекислого и угарного газа происходит увеличение образования водорода и метана CH 4 , часть углерода сохраняется в виде древесного угля, смешанного с золой.

Топливо, полученное при пиролизе более универсально, чем исходное, но уже имеет меньшую энергию сгорания. "Универсальность" топлива – это более широкий диапазон устройств – потребителей, меньшее загрязнение среды, удобство транспортировки, лучшая управляемость горением. В результате переработки получают твёрдый остаток, жидкости, газы.

Твёрдый остаток, древесный уголь, составляет 25-35% сухой биомассы. Он на 75-85% состоит из углерода, обладает теплотой сгорания 30 МДж/кг. Используется в качестве топлива с контролируемой чистотой, применяется в лаборатории, в промышленности, для выплавки стали (вместо кокса).

Жидкости – смолы, уксусная кислота, метанол, ацетон –30% от сухой биомассы. Они могут быть отделены или использованы вместе в качестве низкокачественного топлива с теплотой сгорания 22МДж/кг.

Газы – это древесный газ (синтетический газ, генераторный газ или водяной газ) – до 80% в газогенераторах. Газы состоят из азота, водорода, метана, углекислого газа и угарного газа. Они накапливаются в газгольдерах при давлении, близком к атмосферному (они не сжимаются). Используются в дизелях, карбюраторных двигателях.

Другие термохимические процессы: - гидрогенизация и каталитическая реакция между углеродом и окисью углерода.

Гидрогенизация – процесс нагревания измельчённой или переваренной биомассы до 600ºС при давлении около 50 атм (5 МПа). Получаемые при этом горючие газы метан и этан дают при сжигании 6 МДж на 1 кг сухого сырья.

Гидрогенизация с применением СО и пара аналогична предыдущему процессу, но нагревание производится в атмосфере СО до 400ºС. Извлекается синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо.

Каталитическая реакция между Н 2 и СО при 330ºC и давлении 15 МПа даёт метиловый спирт (метанол)-ядовитую жидкость, которую можно использовать в качестве заменителя бензина с теплотой сгорания 23 МДж/кг.

Спиртовая ферментация (брожение) используется для получения этилового спирта (этанола) – С 2 Н 5 ОН. Этиловый (питьевой) спирт образуется из сахаров особыми микроорганизмами, дрожжами, в кислой среде. При концентрации спирта 10% микроорганизмы погибают. Поэтому дальнейшее повышение концентрации получается перегонкой (дистилляцией). В результате получают смесь-95%спирта + 5% воды. При брожении теряется 0,5% энергетического потенциала сахара. Необходимую для перегонки тепловую энергию получают, сжигая отходы биомассы.

Этиловый спирт получают из сахарного тростника, сахарной свёклы, крахмала. При получении спирта из сахарного тростника вначале отделяют сок для получения сахарозы. Оставшуюся патоку с содержанием сахара до 55% сбраживают и перерабатывают в спирт. Реакция превращения сахарозы в этанол в присутствии дрожжей:

При получении спирта из сахарной свёклы вначале получают сахар для сбраживания; далее процесс аналогичен.

Для получения спирта из растительного крахмала, например, из злаковых, его предварительно подвергают гидролизу на сахар.

Крупные молекулы крахмала разрушаются ферментами солода, содержащимися, например, в ячмене или при обработке его сильными кислотами при повышенном давлении. Важный вторичный продукт сбраживания - отходы используются в качестве корма для скота и удобрений.

Этиловый спирт – хорошее жидкое топливо. Он используется в чистом виде (95%) при небольшой переделке карбюратора или в смеси с бензином 1:10 (газохол). Газохол сейчас обычное топливо в Бразилии. Применяется оно и в США. При применении газохола увеличивается на 20% мощность двигателей, снижается загрязнение атмосферы по сравнению с применением тетраэтилсвинца.

Получение биогаза путём анаэробного сбраживания . В естественных условиях биомасса разлагается на элементарные соединения в условиях сырости, тепла, темноты в присутствии кислорода под действием бактерий, называемых аэробными. С участием этих бактерий углерод биомассы окисляется до двуокиси углерода (углекислого газа).

В замкнутых объёмах с недостатком кислорода развиваются анаэробные бактерии, которые способствуют созданию углекислого газа и метана. В анаэробных условиях происходит процесс «сбраживания». «Биогаз» - это смесь метана и углекислого газа. Его получают в биогазогенераторах . Реакция превращения сахарозы в метан в присутствии бактерий:

Реакция превращения целлюлозы в метан:

Эти реакции экзотермические. В процессе их протекания выделяется 1 МДж тепла на 1кг сухой массы сбраживаемого материала. Этого, однако, недостаточно для необходимого повышения температуры массы.

Анаэробное сбраживание и получение биогаза с последующим его использованием в качестве качественного топлива выгоднее, чем простое высушивание и сжигание исходного материала, так как только удаление 95% влаги при сушке требует до 40 МДж тепла на 1кг сухого остатка. Теплота сгорания сухого навоза составляет 12…15 МДж/кг. Кроме того, после анаэробной переработки навоз может быть использован как удобрение.

Получение биогаза – экономически выгодно, если биогазогенератор работает на переработке существующего потока отходов - (стоки канализационных систем, свиноферм и др.) без их специального сбора, например, в замкнутом экологическом цикле агропромышленного комплекса.

Сбраживание в биогазогенераторе может происходить при температуре 20…30ºС с участием псикрофилических бактерий с циклом сбраживания 14 суток. При подогреве до 35ºС в процессе участвуют мезофилические бактерии и процесс ускоряется до 7 суток. Для подогрева используется часть биогаза, получаемого в биогазогенераторе. При необходимости ускорения разложения биомассы без увеличения выхода биогаза массу подогревают до 55ºС, что соответствует термофилическому уровню анаэробных бактерий. В любом случае необходимо поддерживать в биогазогенераторе стабильные условия по температуре и подаче биомассы для выведения подходящих для данных условий популяций бактерий.. В тропиках сбраживание ведётся при 20-30ºС без дополнительного подогрева, с временным интервалом 14 дней. В средней полосе для сбраживания необходим дополнительный подогрев, например, с использованием части получаемого биогаза. При повышении температуры процесса до 35ºС, скорость реакции в биогазогенераторе удваивается.

Процесс сбраживания идет в три стадии, которые обеспечиваются собственными для каждой стадии бактериями:

1 стадия - расщепление нерастворимых материалов (целлюлоза, жиры, полисахариды) на углеводы и жирные кислоты в течение 1 суток при 20…25ºС,

2 стадия - образование уксусной и др. кислот в течение 1 суток,

3 стадия - образование метана, полное сбраживание массы с получением биогаза (70% метана и 30% углекислого газа) с примесью водорода и сероводорода в течение 14 суток.

Технологическая и электрическая схема биогазогенератора для условий умеренного климата для утилизации навоза животноводческого комплекса, использующего электроэнергию в качестве основного источника энергии представлена на рисунке 3.2. Здесь:

1- приемная емкость с мешалкой, куда поступает очищенный от соломы и других неактивных материалов навоз,

2- мешалка,

4- бак (metan tank) с мешалкой,

5- мешалка,

6- насос для перекачки навоза в баке с подогревом в зимнее время с помощью газового нагревателя,

7- газовый нагреватель,

8- насос для перекачки отработанного навоза в выходную емкость для отходов,

9- выходная емкость,

10- компрессор для перекачки получаемого биогаза в газгольдер,

11- водяной газгольдер,

12- двигатель внутреннего сгорания,

13- электрогенератор,

14- шины трансформаторной подстанции предприятия,

15- коммутирующие аппараты подстанции,

16- главный трансформатор подстанции предприятия,

17- приводные электродвигатели вытяжной и приточной вентиляции с калориферами для обогрева помещений, привода механизмов кормораздачи, скребков, а также лампы освещения.

Навоз помещают в накопитель, где он отделяется от несбраживаемых материалов. Далее масса медленно проходит через ёмкость, врытую в землю, где происходит сбраживание, а затем отработанная масса поступает в бак для отработанной массы, которая используется для удобрения. Давление газа в газгольдере создаётся тяжёлым металлическим газгольдером.

Теплота сгорания некоторых видов топлива :

• бензин 47 МДж/кг или 34·10 - ³ МДж/л;
• этиловый спирт С 2 Н 5 ОН 30 МДж/кг или 25·10 - ³ МДж/л;
• метан СН 4 55 МДж/кг или 38·10 - ³ МДж/л;
• метанол СН 3 ОН 23 МДж/кг или 18·10 - ³ МДж/л;
• биогаз (50% СН 4 и 50% СО 2) 28 МДж/кг или 20·10 - ³ МДж/л;
• генераторный газ 5-10 МДж/кг или (4-8)·10 - ³ МДж/л;
• древесный уголь (кусковой) 32 МДж/кг;
• коровий навоз 12 МДж/кг;
• древесина сухая 16 МДж/кг.

Рис.4.2. Схема биогазогенератора.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Внутренняя структура Земли, рис.4.1 содержит: 1- раскалённое внутреннее ядро, 2- наружное ядро, 3- мантию и 4- тонкую толщиной 30 км кору Земли.

Земная кора получает тепло от раскалённого до 4000ºС ядра, где происходят ядерные и химические реакции с выделением огромного количества тепла. Разность температур между внешней и внутренней поверхностями коры около 1000ºС. Кора состоит из твёрдых пород и имеет невысокую теплопроводность. Геотермальный поток 5 через неё в среднем 0,06Вт/м² при температурном градиенте 30ºС/км. Выход тепла через твёрдые породы суши и океанского дна происходит за счёт теплопроводности (геотермальное тепло) и в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды.

В районах с повышенными градиентами температуры эти потоки составляют 10-20Вт/м² и там могут быть созданы геотермальные энергетические (электрические) станции (Гео ТЭС).

Температурный градиент повышается в зонах с плохо проводящими тепло или насыщенными водой породами. Особенно высокое тепловое взаимодействие мантии с корой наблюдается по границам материковых платформ. В этих районах велик потенциал геотермальной энергии. Градиент температуры достигает 100ºС/км. Это районы с повышенной сейсмичностью, с вулканами, гейзерами, горячими ключами. Такими районами являются: Камчатка в России, Калифорния (Сакраменто) в США, а также зоны в Новой Зеландии, Италии, Мексике, Японии, Филиппинах, Сальвадоре, Исландии и других странах.

Сведения о геотермальных структурах получают при геологической съёмке, проходке шахт, скважин (при глубоком бурении –6 км и более). Технология бурения скважин до 15 км остаётся такой же как и до 6 км, поэтому при строительстве Гео ТЭС эта проблема может считаться решённой.

Геотермальные районы подразделяют на 3 класса:

гипертермальные с температурным градиентом более 80ºС/км - расположены в зонах вблизи границ континентальных платформ –Тоскана в Италии;

полутермальные –40¸80ºС/км – расположены вдали от границ платформ, но связаны с аномалиями, например, глубокими естественными водоносными пластами или раздробленными сухими породами – район Парижа;

нормальные – менее 40ºС/км, где тепловые потоки составляют

Рис.4.1. Внутренняя структура Земли и поток геотермальной энергии

Рис.4.2. Использование потока геотермальной энергии

0,06 Вт/м². В этих районах извлечение геотермального тепла – пока нецелесообразно.

Тепло получается благодаря: (1)естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубокие слои, нагревается, превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается и образует гейзеры, горячие источники, (2)искусственному перегреву, связанному с охлаждением застывающей лавы, (3)охлаждению сухих скальных пород. Сухие скальные породы в течении миллионов лет накапливали тепло. Отбор тепла от них возможен прокачкой воды через искусственно созданные разрывы, скважины и др.

Созданные Гео ТЭС работают на естественной гидротермальной циркуляции, а также на искусственном перегреве за счёт извлечения тепла из сухих скальных пород.

Геотермальная энергия обладает низкими термодинамическими свойствами. Это энергия низкого качества(35%) и низкой плотности(0,06Вт/м²), с низкой температурой теплоносителя. Наилучший способ её использования – комбинированное применение для обогрева и выработки электроэнергии. При потребности в тепле с температурой до 100ºС целесообразно её использовать только для обогрева, если температура теплоносителя ниже 150ºС. При температуре теплоносителя 300ºС и выше целесообразно её комбинированное использование. Тепло целесообразно использовать вблизи места добычи, для обогрева жилищ и промышленных зданий, особенно в зонах холодного климата. Такие геотермальные системы используются, например, в Исландии. Тепло также используется для обогрева теплиц, сушки пищевых продуктов и т.д. Применение геотермальной энергии определяется капитальными затратами на сооружение скважин. Их стоимость экспоненциально возрастает с увеличением глубины бурения.

Общее количество тепла, извлекаемого от теплоносителя, может быть увеличено за счёт повторной закачки в скважины, тем более, что нежелательно оставлять на поверхности эти сильно минерализованные воды по экологическим причинам. Геотермальные энергостанции располагаются в гипертермальных районах, рис.4.2, вблизи естественных гейзеров и пароводяных источников 1 с температурой воды и пара 200…280ºС и используют естественные выходы тепла 2 (энергостанция 3) и специально пробуренные скважины 4 (энергостанция 5).

Схема извлечения тепла из сухих горных пород включает нагнетательную 1 и водозаборную 2 скважины, рис.4.3.. Скала на глубине 5-7 км дробиться гидровзрывом с помощью холодной воды, нагнетаемой под давлением в скважину. После предварительного дробления пород вода нагнетается через нагнетательную скважину, фильтруется через скальные породы на глубине 5 км при tº=250ºС, тёплая вода возвращается на поверхность через водозаборную скважину.

Рис.4.3. Схема извлечения тепла из сухих горных пород

Рис.4.4.Использование геотермальной энергии для производства электроэнергии в тепловом двигателе с одним рабочим телом (с

водой или фреоном)

Использование геотермальной энергии для производства электроэнергии может быть произведено по различным схемам:

· Турбинный цикл с одним рабочим телом с водой или хладоном показан на рис.4.4, где: П- теплообменник (парогенератор), где геотермальное тепло передается хладону, нагревает и испаряет его, Т- турбина, Г-генератор, К- конденсатор, Н- насос. При использовании низкотемпературного геотермального источника для приведения в действие турбины вместо воды применяют жидкости с более низкой температурой парообразования, например, хладон или аммиак. Особые трудности возникают с теплообменниками из–за высокой концентрации химических веществ в воде из скважин.

· Схема прямого парового цикла , рис.4.5, содержит: пароводяной сепаратор- ПС, редуктор- Р, Т- турбину, Г-генератор, К- конденсатор, Н- насос. Вода с паром от геотермального источника подается в пароводяной сепаратор, где пар отделяется от воды и поступает в турбину. Вода возвращается под землю. Отработанный в турбине пар конденсируется, и конденсат также закачивается под землю.

Крупнейшие геотермальные электростанции :

ЭНЕРГИЯ ОКЕАНОВ.

Энергия океанов – это энергия волн, энергия приливов и тепловая энергия воды.

Энергия волн.

Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Длиннопериодные волны (Т≈10 с) с большой амплитудой (А≈2 м) позволяют снимать с единицы длины гребня до 50 кВт/м.

Проекты использования энергии волн разрабатываются в Японии, Великобритании, в Скандинавских странах. Разрабатываются объекты с единичными модулями 1000 кВт с длиной вдоль фронта волны около 50 м. Такие установки могут быть конкурентоспособны с дизель–генераторами при электроснабжении удаленных посёлков на островах.

Сложности создания волновых энергоустановок обусловлены нерегулярностью волн по амплитуде, частоте, направлению, возможностью 100-кратных перегрузок при штормах и ураганах, расположением на глубокой воде, вдали от берега, сложностью согласования низкой частоты волн (0,1Гц) и высокой частоты электрического генератора (50 Гц).

Волновая энергоустановка 1, использующая колеблющийся водяной столб, рис.5.1, размещается на грунте. Она состоит из нижней вертикальной камеры 2, сообщающейся с морем и имеющей два отверстия с клапанами 4 и 7, и воздушной камеры 3 с двумя отверстиями с клапанами 5 и 6, с диффузором и турбиной 8,соединенной валом с электрическим генератором 9.

При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб воды в полости колеблется, и изменяет давление воздуха над жидкостью. С помощью клапанов воздушный поток регулируется так, что проходит через турбину в одном направлении. При набегании волны воздушный поток из нижней камеры под давлением проходит через клапан 4 в верхнюю камеру, через диффузор, приводит во вращение турбину и выходит наружу через клапан 5. При сбегании волны клапаны 4 и 5 закрыты. Под действием разрежения, возникающего в нижней камере, воздух засасывается снаружи в верхнюю камеру, проходит через диффузор в прежнем направлении и через клапан 7 проходит в нижнюю камеру. На этом принципе действуют энергоустановки, внедрённые в Японии, Великобритании, Норвегии (500 кВт).

Рис.5.1. Волновая энергоустановка

Возможны другие конструкции энергоустановок, например, подводное устройство, которое состоит из плавучего корпуса – поплавка, закреплённого под водой на опорах, установленных на

грунте. Под воздействием подповерхностного движения вод он совершает колебательные движения, которые преобразуются в движение поршневого насоса. Жидкость подаётся на генераторную станцию по трубопроводам.

Энергия приливов .

Приливные колебания уровня в океанах происходят периодически: суточные с периодом 24 часа 50 минут и полусуточные с периодом 12 часов 25 минут. Разность уровней самого высокого и самого низкого – это высота прилива. Она колеблется от 0,5 до 10-11 метров. Во время приливов и отливов возникают приливные течения, скорость которых в проливах между островами достигает 4-5 м/с. Причиной возникновения приливов является гравитационное взаимодействие Земли 1 с Луной 2 и Солнцем, рис.5.2. Гравитационные же силы удерживают воду на поверхности вращающейся Земли. Плоскость вращения Луны относительно Земли имеет наклон относительно плоскости эклектики (в которой Земля вращается относительно Солнца) и дважды в течение солнечных суток Луна проходит через экваториальную плоскость.

Рис.5.2. Возникновение приливов

Если Луна находится в экваториальной плоскости Земли, океанские воды втягиваются в пики 3 в точках – максимально приближенной и удаленной от Луны. В ближайшей к луне точке действует увеличенная сила лунного притяжения и уменьшенная центробежная сила, в наиболее удаленной точке- уменьшенная сила лунного притяжения и увеличенная центробежная сила.

Это полусуточные приливы. Они наблюдаются в любой точке два раза в сутки. Обычно Луна не находится в экваториальной плоскости Земли. Поэтому приливы в этой точке возникают также 1 раз в сутки. Это суточные приливы.

На величину возникающих приливов оказывает влияние меняющееся расстояние между Луной и Землёй, совпадение или несовпадение Лунных и Солнечных приливов, место, в котором наблюдается прилив, открытый океан или вблизи побережья, в устьях рек и прочие.

Приливная электростанция (ПЭС) может быть расположена непосредственно в приливном течении, рис.5.3.

Рис.5.3. Приливная энергоустановка

Другой вариант расположения ПЭС – бассейн, отделённый от океана дамбой или плотиной. Во время прилива вода в бассейне поднимается на максимальную высоту. При отливе масса воды пропускается через турбину, вырабатывая электроэнергию.

Развитие приливной энергетики возможно в местах с большими высотами приливов и большими потенциалами приливной энергии, например, на побережье Северной Америки (9…11м), в западной Африке 5м, на побережье Белого, Баренцева морей, во Франции (Бретань), Великобритании (Северн), Ирландии, Австралии. Приливные энергоустановки характеризуются большими капитальными затратами. Капитальные затраты на строительство ПЭС могут быть снижены решением комплексных хозяйственных задач: одновременным строительством дорог вдоль дамб, улучшением условий судоходства, снижением расхода дорогого дизельного топлива и так далее.

Крупнейшие приливные электростанции:

Ла Ранс – Франция – 240.000 кВт – 24 турбины – 1967г.

Аннаполис – Канада – 20.000 кВт – 1 турбина – 1984г.

Джянгксия – Китай – 3.900 кВт – 6 турбин – 1986г.

Байсхакоу – Китай – 640 кВт – 4 турбины – 1985г.

Кислогубская – Россия – 400 кВт – 1 турбина – 1968г.

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

Гидроэнергетика использует энергию падающей воды. Эта энергия преобразуется в механическую энергию в гидротурбине и в электрическую в гидрогенераторе. Мощность, отдаваемая падающей водой турбине:

(6.1)

где:r=10 3 кг/м 3 - плотность воды,

g=9,81 м/с 2 - ускорение силы тяжести,

Расход воды, м 3 /с,

Высота падения воды, м.

Потери при этом преобразовании невелики и затрачиваются только на удаление воды из турбины. К.П.Д. современных гидротурбин достигает 90%.

При определении гидроэнергетического потенциала местности, района, области годовая выработка электроэнергии ГЭС может составить

(6.2)

(6.3)

Условиями целесообразности использования гидроэнергии в данной местности являются:

• достаточно большой годовой сток и перепад высот не менее 250…300м; при меньшем перепаде высот нерационально возрастают площади залива территории при создании водохранилищ,
• годовой уровень осадков не менее 0,4 м,
• равномерное распределением осадков в течение года,

подходящий рельеф местности и наличие мест для водохранилищ.

Гидротурбины разделяются на реактивные и активные.

Рабочее колесо реактивной турбины полностью погружено в воду и вращается за счет разности давлений до и после колеса, рис.6.1. Здесь: 1- русло реки, 2- естественный водопад, 3- решетка, 4- водовод (канал), 5- направляющий аппарат, 6- гидротурбина, 7- гидрогенератор в здании ГЭС.

Рис.6.1. Деривационная гидроэлектростанция с реактивной гидротурбиной вблизи естественного водопада.

Реактивная турбина может работать при реверсировании ге

Введение

На современном этапе развития цивилизации экономический рост в любой стране самым тесным образом связан с функционированием топливно-энергетического комплекса. При этом наиболее конкурентоспособными являются те страны, где энергетические ресурсы используются в максимальном объеме и с высокой степенью эффективности. Экономика России базируется на невозобновляемых углеводородных топливно-энергетических ресурсах, причем, в большей степени, чем в большинстве промышленно развитых стран мира

Разведанные запасы традиционных углеводородных ресурсов в России пока позволяют обеспечивать текущие потребности национальной экономики и получать существенные доходы от экспорта энергоносителей. В то же время с каждым годом наблюдается ухудшение горно-геологических условий добычи горючих полезных ископаемых. С начала 90-х годов прошлого века восполнение запасов углеводородных ресурсов отстает от темпов роста их добычи.

В перспективе будут постоянно возрастать требования к защите окружающей среды при сжигании традиционных углеводородных ресурсов. Снижение энергоемкости российской экономики в отличие от ведущих промышленно развитых стран не являлось следствием комплексного проведения энергосберегающих мероприятий. В данном случае сыграли свою роль факторы, связанные со спадом производства, глобальным потеплением климата, повышением доли природного газа в энергетическом балансе и изменением структуры производства ВВП в сторону увеличения доли производства услуг. Производство услуг обычно менее энергоемко по сравнению с производством товаров.

Если разрыв в уровне энергоемкости ВВП будет сохраняться, то это несомненно окажет негативное воздействие на конкурентоспособность российских товаров на мировом рынке.

Уже в ближайшей перспективе все большую часть прироста национальных потребностей России в топливе и энергии необходимо будет обеспечивать за счет мероприятий по энергосбережению. В основных положениях Энергетической стратегии России до 2020 года энергосбережение предполагается в основном осуществлять за счет организационных и технологических мероприятий, направленных на более эффективное использование традиционных видов топливно-энергетических ресурсов.

Следует, однако, подчеркнуть, что энергосбережение - это не только внедрение технологий, позволяющих увеличить эффективность использования традиционных энергоносителей, но также и диверсификация энергобаланса за счет использования альтернативных источников энергии. К сожалению, последнему аспекту в стратегии энергосбережения уделяется недостаточно внимания.

В стратегическом плане среди альтернативных источников энергии наиболее важную роль будут играть возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Среди них особый интерес представляют нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ): энергия солнца, ветра, тепла земли, малых рек, океана, биомассы и торфа.

В данном реферате мы рассмотрим возобновляемые источники энергии, их достоинства и недостатки, и перспективы использования ВИЭ в России.

Глава 1. Характеристики возобновляемых источников энергии и основные аспекты их использования в России

.1 Возобновляемые источники энергии

Это виды энергии, непрерывно возобновляемые в биосфере Земли. К ним относится энергия солнца, ветра, воды (в том числе сточных вод), исключая применения данной энергии на гидроаккумулирующих электроэнергетических станциях. Энергия приливов, волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов. Геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей. Низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с применением особых теплоносителей. Биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива. А также биогаз; газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов; газ, образующийся на угольных разработках.

Теоретически возможна и энергетика, основанная на использовании энергии волн, морских течений, теплового градиента океанов (ГЭС установленной мощностью более 25 МВт). Но пока она не получила распространения.

Способность источников энергии возобновляться не означает, что изобретен вечный двигатель. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используют энергию солнца, тепла, земных недр, вращения Земли. Если солнце погаснет, то Земля остынет, и ВИЭ не будут функционировать.

1.2 Преимущества возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными

Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит от величины поставок и уровня цен на него, конъюнктуры рынка.

Возобновляемая энергетика базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.

Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию

ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.

В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.

В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо- и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т. д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта наукоемкого оборудования.

1.3 Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии

И в России, и в мире - это гидроэнергетика. Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.

Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.

Доля солнечной энергетики относительно небольшая (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но имеет положительную динамику роста.

Геотермальная энергетика имеет важное местное значение. В частности, в Исландии такие электростанции вырабатывают около 25% электроэнергии.

Приливная энергетика пока не получила значительного развития и представлена несколькими пилотными проектами.

.4 Состояние возобновляемой энергетики в России

Этот вид энергетики представлен в России главным образом крупными гидроэлектростанциями, обеспечивающими около 19% производства электроэнергии в стране. Другие виды ВИЭ в России пока заметны слабо, хотя в некоторых регионах, например на Камчатке и Курильских островах, они имеют существенное значение в местных энергосистемах. Суммарная мощность малых гидроэлектростанций порядка 250 МВт, геотермальных электростанций - около 80 МВт. Ветроэнергетика позиционируется несколькими пилотными проектами общей мощностью менее 13 МВт. Приливная энергетика ограничена возможностями экспериментальной Кислогубской ПЭС.

Глава 2. Обзор возобновляемых источников энергии

.1 Энергия солнца

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов

.1.1 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов

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.Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлементов, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

гелиотермальная энергетика <#"184" src="/wimg/11/doc_zip1.jpg" />

Солнечный водонагреватель

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°. КПД установки - 40%.

С олнечный парус - приспособление, использующее давление солнечного света <#"justify">a) Солнечные коллекторы-концентраторы

Солнечный коллектор - устройство для сбора энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Солнечные коллекторы применяются для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30-90°C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов. В Европе в 2000 г. общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн. м², а во всём мире - 71,341 млн. м². Солнечные коллекторы - концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов

б) Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой. Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300-390°C.

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 кВтч. 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 может быть построено 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.

c) Параболические концентраторы

Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25% в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9-25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22-24%, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния солнечной чистоты. В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98%. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999%.В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-0,12 за кВтч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-0,05 к 2015-2020 г. Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров - до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 г. будет построено 20 тыс. параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

д) Освещение зданий с помощью световых колодцев

Световой колодец (англ. lighttubeorlightpipe) - оборудование для освещения помещений при помощи естественного солнечного света. Световой колодец представляет cобой трубу, передающую солнечный свет с минимальными потерями. Простейший вариант светового колодца - отверстие в потолке. Солнечные колодцы применяются для освещения как промышленных, так и жилых зданий в дневное время суток. Могут применяться в больших промышленных зданиях: складах, цехах, подземных помещениях и т. д.

.1.3 Достоинства и недостатки солнечной энергетики

Достоинства

Общедоступность и неисчерпаемость источника.

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). 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

Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.

Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990-2005 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.

Вывод

Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. В России солнечная энергетика существует только в виде небольших установок автономного энергоснабжения, не подключенных к энергосистеме и применяемых частными лицами и небольшими организациями.

.2 Ветровая энергия

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.

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца.

.2.1 Получение энергии с помощью ветрогенераторов

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) - устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

.2.2Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатовделятся на две группы:

Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);

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

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

a) 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. 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.

б) 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.

c) 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. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

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.

2.2.3 Достоинства и недостатки ветрогенераторов

Достоинства

Экологически-чистый вид энергии

Эргономика

Возобновимая энергия

Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест.

Недостатки

Нестабильность

Относительно невысокий выход электроэнергии

Высокая стоимость

Природные условия

Шумовое загрязнение

Вывод

Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического использования природных возобновляемых энергоресурсов. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами.

В России, по мнению экспертов, уникальное сочетание благоприятных факторов для развития ветроэнергетики:

обширная территория;

богатый и хорошо изученный потенциал ветра (127 ТВтч);

большие объёмы энергопотребления, связанные с климатическими условиями и структурой экономики.

В настоящее время, прорабатывается и реализуется целый ряд проектов строительства ветроэнергетических станций (ВЭС), мощностью чаще всего от 100 до 300 МВт каждая, практически по всей территории страны, хотя большая часть сконцентрирована на северо-западе и юге европейской части России: Ленинградская область; Псковская область; Ростовская область и Северный Кавказ (Порт Кавказ, Анапа, Темрюк, Карачаево-Черкесия); Оренбург; Остров Русский в Приморье.

Всего в России насчитывается 20-25 проектов ВЭС в разной степени продвижения.

электричество солнце ветер биомасса

2.3 Геотермальная энергия

Геотермальная энергетика - производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, возобновимым энергетическим ресурсам.

Тепловая энергия недр образуется за счет расщепления радионуклидов в середине планеты. Этот экологически чистый и постоянно обновляемый источник энергии может быть использован в регионах с вулканическими проявлениями и геологическими аномалиями, когда вода вблизи от поверхности земли нагревается до температуры кипения, в результате чего в виде водяного пара может подаваться на турбины для производства тока. Горячая вода естественных источников (гейзеров) может быть использована непосредственно.

Однако тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.

Источники геотермальной энергии

по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

месторождения геотермального сухого пара - сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) - встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) - представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) - их запасы энергии наиболее велики;

магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.

Опыт, накопленный различными странами (в том числе и Россией), относится в основном к использованию природного пара и термальных вод, которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т. е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3-5 км обычно превышает 100°С.

Для использования геотермальной энергии используют высокотемпературные геотермальные энергетические и тепловые станции (ГеоЭС) и низкотемпературные тепловые насосы (ТН).

2.3.1 Геотермальные электростанции

Способы использования геотермальной энергии

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 1500С).

Принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии - это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182°С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 2000С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

.3.2 Тепловые насосы

Одним их приоритетных направлений развития альтернативной энергетики в мире является освоение низкопотенциальной энергии Земли (тепла грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированное в поверхностных слоях земной коры).

Низкопотенциальные геотермальные ресурсы (НГР) могут использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов. Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы (ГТН).

Геотермальные тепловые насосы представляют собой устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.

Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.

На сегодняшний день используются парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН), работающие на хладонах, и адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития. Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции, АТН не получили распространения.

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос - это устройство, которое работает по принципу обратной холодильной машины, передавая тепло от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой, например системе отопления вашего дома.

бак-аккумулятор - теплоизолированная ёмкость для воды, предназначена для накопления горячей воды, с целью выравнивания тепловых нагрузок системы отопления и горячего водоснабжения, а также увеличивает срок работы теплового насоса.

первичный грунтовый контур - закрытая циркуляционная система, которая состоит из испарителя (теплового насоса), циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к тепловому насосу.

вторичный грунтовый контур - закрытая система, которая состоит с конденсатора (теплового насоса), циркуляционного насоса, трубопроводов, и служит для передачи тепла от теплового насоса к системе отопления в доме.

Принцип работы теплового насоса похож к работе обыкновенного холодильника, только наоборот. Холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов и переносит его наружу. Тепловой насос переносит тепло, накопленное в почве, земле, водоеме, подземных водах или воздухе, в Ваш дом. Как и холодильник, этот энергоэффективный теплогенератор имеет следующие основные элементы:

конденсатор (теплообменник, в котором происходит передача тепла от хладагента к элементам системы отопления помещения: низкотемпературным радиаторам, фанкойлам, теплому полу);

дроссель (устройство, которое служит для снижения давления, температуры и, как следствие, замыкания теплофикационного цикла в тепловом насосе);

испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор тепла от низкотемпературного источника к тепловому насосу);

компрессор (устройство, в которое повышает давление и температуру паров хладагента).

Виды теплосъема тепловым насосам

) Земляной горизонтальный контур

Использует энергию, накопленную на поверхности земли (глубина от 1м до 2,5 м). Летом Тепловой насос забирает лишнее тепло из дома и переносит его под землю. Зимой Тепловой насос забирает накопленное за лето тепло и отдаёт обратно в дом

) Земляной вертикальный контур

Использует энергию, накопленную в глубине земли (глубина 30-200 м). Бурится вертикальная скважина и в неё опускается замкнутая труба, по которому течёт теплоноситель. Тепло уносится грунтовыми водами летом и подается зимой.

) Подземные воды

Использует энергию, грунтовой воды.Грунтовые воды круглогодично имеют температуру +5+12 С.Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом - приятную прохладу

) Энергия водоёма

Использует энергию, накопленную в летний период водоёма. Энергия водоёма имеет зимой температуру +3 +5 С. Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом - приятную прохладу.

Преимущества и недостатки теплового насоса

Преимущества

Высокая экономичность.

Не требует постоянного сервисного обслуживани.

Длительный срок эксплуатации (до 50 лет).

Экологически чистая и безопасная систем.

Возможность использования в одной установке нескольких систем (отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование.

Низкий уровень шумов.

Срок окупаемости установки от 3-х до 5-ти лет.

Недостатки

Высокая начальная стоимость оборудования и установки внешнего коллектора или скважины забора воды.

2.3.3 Преимущества и недостатки геотермальной энергетики

Основной недостаток геотермальной энергии - необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Вывод

Всего в России можно выделить три основные зоны, в зависимости от типа и возможностей использования геотермальной энергии:

Камчатка и Курилы - наиболее «горячие»точки;

Северный Кавказ и зона, прилегающая к Байкалу, где возможно использование глубинных вод для теплоснабжения;

Потенциально обширная территория, охватывающая 2/3 России, где возможно использование низкопотенциальной энергии с помощью тепловых насосов.

Принципом теплового насоса, используемым в большом масштабе, можно назвать и петротермальную энергетику, использующую энергию фонового теплового потока, исходящего из недр Земли.

Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство «гигантов» (крупных объектов), так и на использование геотермальной энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов и других объектов мощностью 0,1-0,4 МВт с использованием геотермальных циркуляционных систем.

В настоящий момент в России разведано около полусотни геотермальных месторождений. Для дальнейшего развития геотермальной энергетики необходимы инвестиции и поддержка государства. Введение геотермальной энергетики в энергобаланс страны позволит, с одной стороны, повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие на экологическую обстановку по сравнению с традиционными источниками.

2.4 Биогазовая энергетика

Биогаз - газ, получаемый метановым брожением биомассы. В результате биохимической реакции, в которой принимают участие метановые бактерии, выделяется биогаз, его основными составляющими являются: метан (СН4, около 70%), углекислый газ (СО2, около 30%) и некоторое количество H2, H2S, N2. Теплотворная способность данной газовой смеси от 5000 до 8000 Ккал/м3, в зависимости от состава органических отходов.

2.4.1 Получение биогаза

Суть процесса получения биогаза в биореакторе сводится к следующему:

·загрузка реактора измельченными органическими отходами,

·создание условий для начала химической реакции разложения органики,

·отвод полученного биогаза и его накопление с одновременным созданием необходимого рабочего давления,

·вывод твердых фракций за пределы реактора, полученных в результате реакции разложения.

Теперь более подробно о каждом процессе.

2.4.2 Сырьё:

навоз и помет птиц, растительные и молочные отходы, энергетические культуры (силосная кукуруза).

Следует отметить, что для большей эффективности, растительные отходы следует измельчать до минимально возможных размеров и готовить смесь.

Пропорциональное смешение органики с целью повышения объема выхода биогаза:

·навоз КРС + помет птиц дает увеличение выхода биогаза на 6%

·навоз КРС + куриный помет + навоз свиней (1: 0,5: 0,5) - на 11%

·навоз КРС + свиной - на 7%

·навоз КРС + сосняки (опавшая хвоя) - на 5%

·надо заметить, что птичий помет в чистом виде не может перерабатываться в биогаз в обычном реакторе поскольку содержат высокий уровень кислот, при котором метановые бактерии погибают (на птицефабриках дополнительно используют реактор гидролиза)

·наличие большого количества мочи не способствует увеличению выхода биогаза, зато, сказывается на азотонасыщенности конечных твердых фракций; вода так же является лишь источником разжижения массы для ускорения реакции и ее (воды) объем на увеличении количества биогаза не отражается (достаточная влажность биосырья должна составлять 60-70%).

В принципе, процесс биореакции в закрытом пространстве (анаэробное сбраживание), со временем, начинается сам по себе, но существенно замедляется при низких температурах воздуха. Наиболее оптимальная температура для поддержания биологической активности метановых бактерий 30-400С. Для искусственного ускорения начала процесса применяют подогрев биомассы с помощью обычного обогревателя-змеевика до температуры +380С.

Метантек (биореактор) с целью поддержания температурного режима тщательно теплоизолируют.

Для увеличения скорости брожения и образования биогаза применяют механическоеперемешивание биомассы в биогазовой установке. Этот прием позволяет существенно сэкономить на объеме реактора, так как при отсутствии данной процедуры для получения того же объема биогаза потребуется реактор больших размеров.

На процесс брожения влияют и химические показатели, в частности, уровнь РН: если он высок, процесс существеннно замедляется либо вовсе останавливается.

Замедлению реакции сбраживания способствует наличие в биомассе сырья, содержащего антибиотики, консерванты и остатки моющих средств. Поэтому отходы жизнедеятельности человека малопригодны для биогазовых реакторов.

С целью ускорения биопроцесса в метантеках применяются стимулирующие добавки.

В примитивных биогазовых установках биогаз скапливается под тяжелой крышкой реактора, доводится до определенного давления и после отводится в систему газопотребления. В качестве газгольдера на подворье может служить и внешняя установка наподобие кузнечных мехов. Для поддержания необходимого давления в данной конструкции используется гнет.

.4.3 Типы биогазовых установок

По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:

без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;

с обогревом и промешиванием;

с обогревом, с промешиванием и с приборам, позволяющими контролировать и управлять процесс ферментации.

Биогазовая установка первого типа подходит для небольшого хозяйства и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объем биореактора 1-10 м3 (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится - сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20°С. Удаление ферментированной (сброженной) органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в емкость, объем которой должен быть равным или больше внутреннего объема биореактора. Содержимое емкости храниться в ней до введения в удобряемую почву.

Конструкция второго типа также рассчитана на небольшое хозяйство, ее производительность несколько выше биогазовых установок первого типа - в ее оснащение входит перемешивающее устройство с ручным или механическим приводом.

Третий тип биогазовых установок оснащен помимо промешивающего устройства принудительным обогревом биореактора, водогрейный котел при этом работает на альтернативном топливе, производимом биогазовой установкой. Выработкой метана в таких установках занимаются мезофильные и термофильные бактерии, в зависимости от интенсивности обогрева и уровня температуры в реакторе.

Последний тип биогазовых установок наиболее сложен и рассчитан на нескольких потребителей биогаза, в конструкцию установок вводятся электроконтактный манометр, предохранительный клапан, водогрейный котел, компрессор (пневматическое промешивание органики), ресивер, газгольдер, газовый редуктор, отвод для загрузки биогаза в транспорт. Эти установки работают непрерывно, допускают установку любого из трех температурных режимов благодаря точно настраиваемому обогреву, отбор биогаза выполняется в автоматическом режиме.

.4.4 Достоинства и недостатки биогаза

Биогазовая отрасль производит не один конечный продукт, а целый спектр дорогих и важных продуктов и без ущерба экологии:

Достоинства.

Тепло - от охлаждения генератора или от сжигания биогаза. Полученное тепло используют для обогрева помещений.

Электричество - из 1 м³ биогаза можно выработать около 2 кВт электроэнергии.

Биогаз - биогаз можно сжимать, накапливать, перекачивать излишки, продавать. Существуют модели автомобилей, которые используют в качестве топлива газ. Эти машины могут без дополнительной адаптации заправляться биометаном. Сейчас появляются первые заправочные биогазовые станции. В Швеции и Швейцарии биометан уже долгое время используется в городских автобусах (Volvo, Skania) и грузовых машинах.

Удобрения - удобрения, получаемые в виде переброженной массы являются экологически чистыми, жидкими удобрениями, лишенными нитритов, семян сорников, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Расход таких удобрений составляет 1-5 т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли. В полученное удобрение могут добавляться фосфорные, калийные или другие удобрения, в зависимости от культуры, под которые будут использоваться удобрения. Испытания показывают увеличение урожайности в 2-4 раза.

Утилизация органических отходов - биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах, что повышает санитарно-гигиеническое состояние этих предприятий.

Решение экологических проблем - производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химических удобрений, сократить нагрузку на грунтовые воды.

Недостатки

Складирование биогаза в закрытых ёмкостях повышает требования к безопасности при использовании биогазовых установок.

Вывод

Агропромышленный комплекс России сегодня сталкивается с проблемой утилизации огромного количества биологических отходов - чаще всего они просто вывозятся с территорий ферм и складируются. Стало происходить заметное загрязнение прилегающих к фермам рельефа почв, водоемов, лесов и пастбищ. В итоге наносится серьезный экономический, экологический и социальный ущерб не только сельскохозяйственным землям, но и жителям близлежащих населенных пунктов.

Развитие биогазовой энергетики в сельскохозяйственных регионах России может стать не только возможным решением проблемы отходов, но и решением энергетических проблем сельского хозяйства. Кроме того, биогазовая энергетика - это еще и источник дешевых и доступных комплексных органических удобрений, которые образуются как субпродукт при производстве биогаза.

Заключение

Перспективы развития возобновляемых источников энергии и энергоэффективности в России

По оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т у.т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране.

Важно отметить, что экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился, и будет продолжать расти в связи с подорожанием традиционного топлива.

Помимо неистощаемости и экологической чистоты ВИЭ, которые являются очевидными преимуществами этих видов энергии, существует ряд других причин обусловливающих необходимость их интенсивного использования.

Энергетическая стратегия России до 2020 года подчеркивает, что необходимость использования ВИЭ определяется их существенной ролью при решении следующих проблем:

обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях;

обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений;

снижение экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса.

В настоящее время одними из ключевых факторов, сдерживающих развитие ВИЭ в России, являются дефицит инвестиций для реализации необходимых проектов, а также недостатки нормативно-правовой базы.

Литература

1.Лятхер, В.М. Развитие ветроэнергетики / В.М. Лятхер //Журнал «Малая энергетика». - 2006. - № 1-2 (4-5).

2.Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России