Возобновляемые источники энергии. Реферат: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Нетрадиционные источники энергии учебное пособие

Федеральное агентство по образованию РФ

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

Кафедра энергетики теплотехнологии
Реферат
по дисциплине:
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Белгород, 2009
Содержание

Введение………………………………………………………………………………...3

1. Виды нетрадиционной энергетики…………………………………………………4

1.1. Ветровая энергия.

1.2. Геотермальная энергия .

1.3. Тепловая энергия океана .

1.4. Энергия приливов и отливов.

1.5. Энергия морских течений.

1.6. Энергия солнца .

1.7. Водородная энергетика.

2. Геотермальное направление история и перспективы развития…………………10
^

2.3. Выводы.

Заключение…………………………………………………………………………….20
Введение

Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил. Её соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста. Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства. Она должна быть надежна и с расчетом на отдаленную перспективу. Энергетический кризис 1973-1974 гг. в капиталистических странах продемонстрировал, что этого трудно теперь достичь, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, . К ним относят солнечную, геотермальную и ветровую энергию, а также энергию биомассы, океана и пр. Относят к ним обычно и атомную энергию. Однако на нынешнем этапе развития атомном энергетики это представляется условным.

В отличие от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Основной фактор при оценке целесообразности использования нетрадиционных – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии.

Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым терминов «экоэнергетика», под которым подразумеваются любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды.
1. Виды нетрадиционной энергетики
Рассмотрим основные виды нетрадиционной энергетики
1.1. Ветровая энергия . Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м 2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м 2 .

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие – на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная про-блема: избыток энергии в ветреную погоду и недоста-ток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, кото-рый накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие во-дяную турбину и генератор постоянного или перемен-ного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнета-ния сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Элек-трический ток от ветроагрегата разлагает воду на кис-лород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
1.2. Геотермальная энергия . Энергетика земли – геотермальная энергетика базируется на использова-нии природной теплоты Земли. Верхняя часть земной ко-ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С в рас-чете на 1 км глубины, и, ко-личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу-бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6 . 10 26 Дж. Эти ресурсы эквивалент-ны теплосодержанию 4,6·10 16 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6 . 10 9 Дж/т), что бо-лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур-сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, что-бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энерго-ресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко-торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера. Образование та-ких систем связано с наличием источника теплоты - го-рячей или расплавленной скальной породой, располо-женной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении го-рячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато-ра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извле-чением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух-контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав-шийся в результате кипения этой жидкости, использует-ся для привода турбины. Отработавший пар конденси-руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.

Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся маг-ма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны за-стывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скаль-ные породы). Получение геотермальной энергии непо-средственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматри-вают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещино-ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева-ется, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен-ных ранее способов.

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплово-го потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква-жин, может достигать 100 °С.
1.3. Тепловая энергия океана . Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км 2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км 2 . Атлантического – 93 млн. км 2 , Индийского – 75 млн. км 2 . Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10 26 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10 18 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать первая теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло-виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ-нее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты-ваемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.
1.4. Энергия приливов и отливов. Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.
1.5. Энергия морских течений . Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км 2 .

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.
1.6. Энергия солнца . Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Согласно легенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот под Сиракузами. Как? При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобные зеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французский естествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом, состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали в одну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летний день с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево. Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1,3 м, в фокусе которого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии же отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расплавлять чугун за три секунды и гранит – за минуту.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л. с.

И хотя с той поры то в одной, то в другой стране появляются экспериментальные рефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях все громче напоминают о неиссякаемости нашего светила, рентабельнее они от этого не становятся и широкого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие это даровое солнечное излучение.

Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода–плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт в год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.
1.7. Водородная энергетика. Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока..

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергети-ки процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого во-дорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электро-лиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атом-ной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных элек-тростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на тран-спортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотон-нажного производства водорода за счет более эффек-тивного разложения воды, используя высокотемпера-турный электролиз водяного пара, применяя катализа-торы, полунепроницаемые мембраны и т. п.

Большое внимание уделяют термолитическому мето-ду, который (в перспективе) заключается в разложе-нии воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высо-котемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследовате-ли стремятся разработать процессы, протекающие в не-сколько стадий, что позволило бы вырабатывать водо-род в температурных интервалах ниже 1000°С.

В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реаген-ты циркулируют в повторных циклах. Другие – скон-струированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реак-торы позволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тен-денцию к росту, можно предположить, что в долго-срочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заме-нить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отли-чаться от современных горелок, применяемых для сжи-гания природного газа.

Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом - он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с цен-тральным отоплением воздух слишком сух). А отсут-ствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопле-ния на 30%.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при про-изводстве удобрений и продуктов питания, в металлур-гии и нефтехимии. Его можно использовать и для вы-работки электроэнергии на местных тепловых электро-станциях.

^ 2. Геотермальное направление история и перспективы развития
Основными направлениями развития генерирующих мощностей в энергетике страны на ближайшую перспективу является техническое перевооружение и реконструкция электростанций, а также ввод новых генерирующих мощностей. Прежде всегоэто строительство парогазовых установок с КПД 5560% , что позволит повысить эффективность существующих ТЭС на 2540%. Следующим этапом должно стать сооружение тепловых электростанций с использованием новых технологий сжигания твёрдого топлива и со сверхкритическими параметрами пара для достижения КПД ТЭС, равного 46-48%. Дальнейшее развитие получат и атомные электростанции с реакторами новых типов на тепловых и быстрых нейтронах.

Важное место в формировании энергетики России занимает сектор теплоснабжения страны, который является самым большим по объёму потребляемых энергоресурсов более 45% их общего потребления. В системах централизованного теплоснабжения (ЦТ) производится более 71%, а децентрализованными источниками около 29% всего тепла. Электростанциями отпускается более 34% всего тепла, котельными примерно 50%. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020г. планируется рост теплопотребления в стране не менее чем в 1,3 раза, причём доля децентрализованного теплоснабжения будет возрастать с 28,6% в 2000г. до 33% в 2020г.

Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдалённые районы России и соответственно объективный рост отпускных цен на электрическую и тепловую энергию принципиально изменяют отношение к использованию НВИЭ: геотермальной, ветровой, солнечной.

Так, развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах страны позволяет уже сегодня решать проблему электро и теплоснабжения, в частности на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе, в отдельных районах Сибири и европейской части России.

В числе основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширения использования местных и в первую очередь геотермального тепла земли. Уже в ближайшие 7-10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения благодаря термальному теплу можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива.

В последнее десятилетие использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) переживает в мире настоящий бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Данное направление развивается наиболее интенсивно по сравнению с другими направлениями энергетики. Причин этого явления несколько. Прежде всего, очевидно, что эпоха дешевых традиционных энергоносителей бесповоротно закончилась. В этой области имеется только одна тенденция - рост цен на все их виды. Не менее значимо стремление многих стран, лишенных своей топливной базы к энергетической независимости Существенную роль играют экологические соображения, в том числе по выбросу вредных газов. Активную моральную поддержку применению НВИЭ оказывает население развитых стран.

По этим причинам развитие НВИЭ во многих государствах приоритетная задача технической политики в области энергетики. В ряде стран эта политика реализуется через принятую законодательную и нормативную базу, в которой установлены правовые, экономические и организационные основы использования НВИЭ. В частности, экономические основы состоят в различных мерах поддержки НВИЭ на стадии освоения ими энергетического рынка (налоговые и кредитные льготы, прямые дотации и др.)

В России практическое применение НВИЭ существенно отстает от ведущих стран. Отсутствует какая-либо законодательная и нормативная база, равно как и государственная экономическая поддержка. Всё это крайне затрудняет практическую деятельность в этой сфере. Основная причина тормозящих факторов затянувшееся экономическое неблагополучие в стране и, как следствие трудности с инвестициями, низкий платежеспособный спрос, отсутствие средств на необходимые разработки. Тем не менее, некоторые работы и практические меры по использованию НВИЭ в нашей стране проводятся (геотермальная энергетика). Парогидротермальные месторождения в России имеются только на Камчатке и Курильских островах. Поэтому геотермальная энергетика не может и в перспективе занять значимое место в энергетике страны в целом. Однако она способна радикально и на наиболее экономической основе решить проблему энергоснабжения указанных районов, которые пользуются дорогим привозным топливом(мазут, уголь, дизельное топливо) и находятся на грани энергетического кризиса. Потенциал парогидротермальных месторождений на Камчатке способен обеспечить по разным источникам от 1000 до 2000 Мвт установленной электрической мощности, что значительно превышает потребности этого региона на обозримую перспективу. Таким образом, существуют реальные перспективы развития здесь геотермальной энергетики.

^

2.1. История развития геотермальной энергетики.

Наряду с огромными ресурсами органического топлива Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть преумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500м в основном в зонах разломов земной коры.

Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 200С.

Для использования геотермальных ресурсов пробурено более 3000 скважин. Стоимость исследований геотермии и буровых работ, уже выполненных в этой области, в современных ценах составляет более 4млрд. долларов. Так на Камчатке на геотермальных полях уже пробурено 365 скважин глубиной от225до2266м и израсходовано (ещё в советское время) около 300млн. долларов (в современных ценах).

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904г. Первая геотермальная электростанция на Камчатке, да и первая в СССР Паужетская ГеоТЭС была введена в работу в 1967г. и имела мощность 5мВт, увеличенную впоследствии до 11 мВт. Новый импульс развитию геотермальной энергетике на Камчатке был придан в 90-е годы с появлением организаций и фирм (АО «Геотерм», АО «Интергеотерм», АО «Наука»), которые в кооперации с промышленностью (прежде всего с Калужским турбинным заводом) разработали новые прогрессивные схемы, технологии и виды оборудования по преобразованию геотермальной энергии в электрическую и добились кредитования от Европейского банка реконструкции и развития. В результате в 1999г. на Камчатке была введена Верхне-Мутновская ГеоТЭС (три модуля по 4мВт.). Вводится первый блок 25мВт. первой очереди Мутновской ГеоТЭС суммарной мощностью 50мВт.

Таким образом, ближайшие и вполне реальные перспективы геотермальной энергетики на Камчатке определились, что является положительным несомненным примером использования НВИЭ в России, несмотря на имеющиеся в стране серьезные экономические трудности. Потенциал парогидротермальных месторождений на Камчатке способен обеспечить 1000МВт установленной электрической мощности, что значительно перекрывает потребности этого региона на обозримую перспективу.

По данным Института вулканологии ДВО РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электричеством и теплом более чем на 100 лет. Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением мощностью 300МВт (э) на юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше Банном, а на севере на Киреунском месторождениях. Запасы тепла геотермальных вод на Камчатке оцениваются в 5000МВт (т).

На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью), часть из них уже от-крыта и может активно использоваться для близлежащих городов и посёлков.

Курильские острова также богаты запасами тепла земли, их вполне достаточно для тепло и электрообеспечения этой территории в течение 100200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого (30МВт(э)) достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова в ближайшие 100 лет. Здесь на Океанском геотермальном месторождении уже пробурены скважины и строится ГеоЭС. На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 95 С, здесь также строится ГеоТС мощностью 20 МВт (т).

Гораздо большее распространение имеют месторождения термальных вод с температурой 100-200С. При такой температуре целесообразно использование низкокипящих рабочих тел в паротурбинном цикле. Применение двухконтурных ГеоТЭС на термальной воде возможно в ряде районов России, прежде всего на Северном Кавказе. Здесь хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180 С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В Дагестане в год добывается более 6 млн. м. геотермальной воды. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел, используют геотермальное водоснабжение.

Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности и сельском хозяйстве.

^

2.2.Преобразование геотермальной энергии в электрическую и тепловую.

Одно из перспективных направлений использования тепла высокоминерализованных подземных термальных вод преобразование его в электрическую энергию. С этой целью была разработана технологическая схема для строительства ГеоТЭС, состоящая из геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и паротурбинной установки (ПТУ). Отличительной особенностью такой технологической схемы от известных является то, что в ней роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник, расположенный в верхней части нагнетательной скважины, куда по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода, которая после передачи тепла вторичному теплоносителю закачивается обратно в пласт. Вторичный теплоноситель из конденсатора паротурбинной установки самотёком поступает в зону нагрева по трубе, спущенной внутри теплообменника до днища.

В основе работы ПТУ лежит цикл Ренкина; t,s диаграмма этого цикла и характер изменения температур теплоносителей в теплообменнике испарителе.

Наиболее важным моментом при строительстве ГеоТЭС является выбор рабочего тела во вторичном контуре. Рабочее тело, выбираемое для геотермальной установки, должно обладать благоприятными химическими, физическими и эксплуатационными свойствами при заданных условиях работы, т.е. быть стабильным, негорючим, взрывобезопасным, нетоксичным, инертным по отношению к конструкционным материалам и дешёвым. Желательно выбирать рабочее тело с более низким коэффициентом динамической вязкости (меньше гидравлические потери) и с более высоким коэффициентом теплопроводности (улучшается теплообмен).

Все эти требования одновременно выполнить практически невозможно, поэтому всегда приходится оптимизировать выбор того или иного рабочего тела.

Результаты проведенного расчетного анализа циклов с использованием различных теплоносителей во вторичном контуре показывают, что наиболее оптимальными являются сверхкритические циклы, которые позволяют повысить мощность турбины и КПД цикла, улучшить транспортные свойства теплоносителя и более полно срабатывать температуру исходной термальной воды, циркулирующей в первичном контуре ГеоТЭС.

Установлено также, что для высокотемпературной термальной воды (180ºС и выше) наиболее перспективным является создание сверхкритических циклов во вторичном контуре ГеоТЭС с использованием изобутана, тогда как для вод с более низкой температурой (100÷120ºС и выше) при создании таких же циклов наиболее подходящим теплоносителем является хладон R13В1.

Другое направление использование геотермальной энергии геотермальное теплоснабжение, которое уже давно нашло применение на Камчатке и Северном Кавказе для обогрева теплиц, отопления и горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном секторе. Анализ мирового и отечественного свидетельствует о перспективности геотермального теплоснабжения. В настоящее время в мире работают геотермальные системы теплоснабжения общей мощностью 17175 МВт, только в США эксплуатируется более 200 тысяч геотермальных установок. По планам Европейского союза мощность геотермальных систем теплоснабжения, включая тепловые насосы, должна возрасти с 1300 МВт в 1995г до 5000 МВт в 2010г.

В СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено--Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988г добывалось 60,8 млн. м³ геотермальной воды, сейчас в России её добывается до 30млн. м³ в год, что эквивалентно 150÷170 тыс. т. условного топлива. Вместе с тем технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минэнерго РФ, составляет 2950 млн. т. условного топлива.

В Краснодарском крае ежегодно добывается до 10 млн. м³/год геотермальной воды с температурой 70÷100º С, что замещает 40÷ 50 тыс. т. органического топлива (в пересчете на условное топли-во). Эксплуатируется 10 месторождений, на которых работает 37 скважин, в стадии освоения находятся 6 месторождений с 23 скважинами. Общее количество геотермальных скважин77. Геотермальными водами отапливается 32 га. теплиц, 11 тыс. квартир в восьми населённых пунктах, горячим водоснабжением обеспечивается 2 тыс. чел. Разведанные эксплуатационные запасы геотермальных вод края оцениваются в 77,7тыс. м³/сут, или при эксплуатации в течение отопительного сезона-11,7млн. м³ в сезон, прогнозные запасы соответственно 165тыс. м³/сут и 24,7млн. м³ в сезон.

Согласно оценке Мирового Энергетического Совета из всех возобновляющих источников энергии самая низкая цена за 1кВт·ч у ГеоЭС (смотри таблицу).

Виды НВИЭ	Установ- Мощность (МВт)	Коэффиц. Использов. Мощности	Стои – (цент)	Стои (цент)	Стоимость Установл. (дол.)	Доля вы- Работан-	Прирост В послед- Ние 5 лет
Геотер- мальная	10200	55÷95(84)	2÷10	1÷8	800÷3000	70,2	22
Ветер	12500	20÷30(25)	5÷13	3÷10	1100÷ 1700	27,1	30
Солнеч-	50	8÷20	25÷125	5÷25	5000÷10000	2,1	30
Приливы	34	20÷30	8÷15	8÷15	1700÷ 2500	0,6

Из опыта эксплуатации крупных ГеоЭС на Филлипинах, Новой Зеландии, в Мексике и в США следует, что себестоимость 1кВт·ч электроэнергии часто не превышает 1 цента, при этом следует иметь в виду, что коэффициент использования мощности на ГеоЭС достигает значения 0,95.

Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды, а также при внедрении тепловых насосов, в которых может эффективно применяться тепло земли с температурой 10÷30ºС, т.е. низкопотенциальное геотермальное тепло.

2.3. Выводы.

1. 
   Практически на всей территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 200º С.
2. 
   В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии, способные быстро обеспечить эффективное применение тепла земли на ГеоЭС и ГеоТС для получения электроэнергии и тепла.
3. 
   Геотермальная энергетика должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации и перевооружения энергетики Камчатской области и Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.
4. 
   Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20÷25%.
5. 
   Для привлечения инвестиций и кредитов в энергетику следует выполнять эффективные проекты и гарантировать своевременный возврат заемных средств, что возможно только при полной и своевременной оплате элект-ричества и тепла, отпущенных потребителям.

Заключение
Представленные материалы убеждают, что обладают огромным потенциалом, достаточным для того, чтобы навсегда закрыть вопрос о недостатке энергии.

Но сегодня человечество приближается к той черте, когда отдавать предпочтение традиционным энергоресурсам уже нельзя, они на исходе (в историческом плане), и НВИЭ становятся полноценным соперником традиционных источников. Поэтому всегда следует проводить скрупулезный экономический анализ, прежде чем решить тот или иной вопрос об использовании источников энергии. Пора перестать смотреть на НВИЭ как на нечто экзотическое и малополезное, а перестраиваться психологически на то, что будущее-то за ними. Считается, что для становления новой энергетики потребуется около пятидесяти лет. Это тот уже совсем небольшой запас времени, которым мы располагаем. Сегодня еще трудно представить себе энергетику будущего в четком виде. Новая энергетика по своей структуре обязательно будет многоплановой. Это будет отрасль, включающая в себя и тепловую, и гидравлическую, и ядерную, и солнечную, и ветроэнергетику и еще многие другие направления получения энергии. Такой путь развития энергетики представляется естественным и более надежным, гарантирующим успешное решение энергетической проблемы, хотя науке многое предстоит еще выяснить у природы, а технике многое сделать впервые.яться, что собранный здесь учебный материал поможет молодым специалистам в области энергоснабжения промышленных предприятий правильно видеть и понимать общие проблемы энергетики, представлять возможности, плюсы и минусы нетрадиционных источников энергии, технически грамотно применять те немногие пока методы и устройства, которые постепенно входят в повседневную практику использования этих источников.

Список использованной литературы
1. Бутузов В.А. «Анализ геотермальных систем теплоснабжения России» Промышленная энергетика-2002-№6-стр.53-57.

2. Доброхотов В.И. «Использование геотермальных ресурсов в энергетике России» Теплоэнергетика-2003-№1-стр.2-11.

3. Алхасов А.Б. «Повышение эффективности использования геотермального тепла» Теплоэнергетика-2003-№3-стр.52-54.

4. Маркин С.Н. «Альтернативная энергетика», 1999, М., Эко

5. Охрана труда и основы энергосбережения . Учебное пособие для ВУЗов – Э.М. Кравченя, Р.Н.Козел, И.П. Свирид. Мн. 2004

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

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

Топливные в свою очередь подразделяют на:

Сланцевый газ и сланцевая нефть

Метан угольных месторождений

Битуминозные пески

Газогидраты

Биотопливо

Нетопливные невозобновляемые подразделяют на:

Термоядерная энергетика

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

Водородная энергетика

Нетопливные возобновляемые подразделяют на:

Ветроэнергетика

Солнечная энергетика (в том числе космические солнечные электростанции)

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

Океанские термодинамические тепловые электростанции (ОТЭС)

Волновые, приливные электростанции, микроГЭС

Начнем с ветроэнергетики.

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

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

Основными достоинствами ветроэнергетики являются:

Простота конструкций и простота их эксплуатации;

Доступность этого поистине неисчерпаемого источника энергии.

К недостаткам следует отнести:

Непостоянство направления и силы ветра;

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

Отчуждение территорий и изменение традиционных ландшафтов.

Запишем ряд определений.

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

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

Теперь перейдем к основам ветроэнергетики.

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

P = ξFρu 3 /2 (1.1)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теперь разберем классификацию ветроэнергетических установок.

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

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

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

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

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

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

Солнечное излучение (СИ) - это процесс переноса энергии при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны - это поток элементарных частиц или фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м 2 в 1 с проходит 3·10 21 фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).

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

Источник солнечного излучения - Солнце - излучает в окружающее пространство поток мощности, эквивалентный 4·10 23 кВт.

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 500·10 6 км 2 . Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам составляет (0,85-1,2)·10 14 кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии. Если использовать всего 0,1% всей поверхности Земли для строительства солнечных электростанций (СЭС), то их выработка превысит в 40 раз все потребление энергии человечеством.

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

R пр - прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей;

R д - диффузное, или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение;

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

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

Поток солнечного излучения (СИ) на Земле существенно меняется, достигая максимума в 2200 (кВт·ч)/(м 2 ·год) для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400(кВт·ч)/(м 2 ·год).

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

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

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

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

По концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;

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

Сложные СЭУ разделить на два подвида.

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

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

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

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

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

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

По назначению - для горячего водоснабжения, отопления, теплохладоснабжения;

По виду используемого теплоносителя - жидкостные и воздушные;

По продолжительности работы - сезонные и круглогодичные;

По техническому решению - одно-, двух- и многоконтурные.

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

Немного о солнечной фотоэнергетике.

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

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

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

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

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

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

Возобновляемые - это ресурсы, энергия которых непрерывно восстанавливается природой: энергия рек, морей, океанов, солнца, ветра, земных недр и т.п.

Невозобновляемые - это ресурсы, накопленные в природе ранее, в далекие геологические эпохи, и в новых геологических условиях практически не восполняемые (органические топлива: уголь, нефть, газ). К невозобновляемым энергоресурсам относится также ядерное топливо.

Энергетика на ископаемом топливе (тепловые, конденсационные электрические станции, котельные) стала традиционной. Однако оценка запасов органического топлива на планете с учетом технических возможностей их добычи, темпов расходования в связи с ростом энергопотребления показывает ограниченность запасов. Особенно это касается нефти, газа, высококачественного угля, представляющих собой ценное химическое сырье, которое сжигать в качестве топлива нерационально и расточительно. Отрицательное влияние оказывает сжигание больших количеств топлива в традиционных энергетических установках на окружающую среду: загрязнение, изменение газового состава атмосферы, тепловое загрязнение водоемов, повышение радиоактивности в зонах ТЭС, общее изменение теплового баланса планеты.

Практически неисчерпаемы возможности ядерной и термоядерной энергетики, но с нею связаны проблемы теплового загрязнения планеты, хранения радиоактивных отходов, вероятных аварий энергетических гигантов.

В связи с этим во всем мире отмечается повышенный интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Их природа определяется процессами на Солнце, в глубинах Земли, гравитационным взаимодействием Солнца, Земли и Луны. Установки

работающие на возобновляемых источниках, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии, естественно циркулирующие в окружающем пространстве. Экологическое воздействие энергоустановок на возобновляемых источниках в основном заключается в нарушении ими естественного ландшафта.

В настоящее время возобновляемые энергоресурсы используются незначительно. Их применение крайне заманчиво, многообещающе, но требует больших расходов на развитие соответствующей техники и технологий. При ориентации части энергетики на возобновляемые источники важно правильно оценить их долю, технически и экономически оправданную для применения. Эта задача - оценить, использовать потенциал возобновляемых ресурсов, найти их место в топливно-энергетическом комплексе - стоит перед экономикой Беларуси. Ее решение поможет смягчить дефицитность энергосистемы республики, позволит снизить зависимость от импорта энергоресурсов, будет способствовать стабильности экономики и политической независимости.

При планировании энергетики на возобновляемых источниках важно учесть их особенности по сравнению с традиционными невозобновляемыми. К ним относятся следующие.

♦ 1.Периодичность действия в зависимости от неуправляемых человеком природных закономерностей и, как следствие, колебания мощности возобновляемых источников от крайне нерегулярных, как у ветра, до строго регулярных, как у приливов.

♦ 2.Низкие, на несколько порядков ниже, чем у возобновляемых источников (паровые котлы, ядерные реакторы), плотности потоков энергии и рассеянность их в пространстве. Поэтому энергоустановки на возобновляемых источниках эффективны при небольшой единичной мощности и прежде всего для сельских районов.

♦ 3.Применение возобновляемых ресурсов эффективно лишь при комплексном подходе к ним. Например, отходы животноводства и

растениеводства на агропромышленных предприятиях одновременно могут служит сырьем для производства метана, жидкого и твердого топлива, а также удобрений.

♦ 4.Экономическую целесообразность использования того или иного источника возобновляемой энергии следует определять в зависимости от природных условий, географических особенностей конкретного региона, с одной стороны, и в зависимости от потребностей в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства, бытовых нужд, с другой. Рекомендуется планировать энергетику на

возобновляемых источниках для районов размером порядка 250 км. При выборе источников энергии следует иметь в виду их качество.

Последнее оценивается долей энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Электроэнергия обладает высоким качеством. С помощью электродвигателя более 95% ее можно превратить в механическую работу. Качество тепловой энергии, получаемой в результате сжигания топлива на тепловых электростанциях, довольно низкое - около 30%.

Возобновляемые источники энергии по их качеству условно делят на три группы:

1.Источники механической энергии, обладающие довольно высоким качеством:

¾ ветроустановки - порядка 30%,

¾ гидроустановки - 60%,

¾ волновые и приливные станции - 75%. 2.Источники тепловой энергии:

¾ прямое или рассеянное солнечное излучение,

¾ биотопливо, обладающее качеством не более 35%.

3.Источник энергии, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления, имеют различное качество на разных частотах излучения; в среднем КПД фотопреобразователей составляет порядка 15%.

Основными нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии для Беларуси являются гидро-, ветроэнергетические, солнечная энергия, биомасса, твердые бытовые отходы.

3.1.Солнечная энергетика. Возможность использования солнечной энергии.

Известно два направления использования солнечной энергии. Наиболее реальным является преобразование солнечной энергии в тепловую и использование в нагревательных системах. Второе направление - системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

¾ подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий в районах с холодным климатом;

¾ сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

¾ поставлять теплоту, необходимую для работы абсорбционных холодильников;

¾ опреснение воды в солнечных дистилляторах;

¾ приготовление пищи;

¾ привод насосов.

На рис.3.1 представлены три из большого числа конструкций нагревателя воды, отличающихся по эффективности и стоимости.

Рис.3.1. Приемники солнечного излучения

а) - открытый резервуар на поверхности Земли. Тепло уходит в Землю; б) - черный резервуар в контейнере со стеклянной крышкой с изолированным дном;

в) - заполненная водой металлическая плоская емкость. Стандартный промышленный приемник: нагревая жидкость протекает через него и накапливается в специальном резервуаре.

Для отопления зданий зимой могут применяться так называемые пассивные и активные солнечные системы. На рис.3.2а показан пассивный солнечный нагреватель: солнечные лучи попадают на заднюю стенку и пол здания, представляющие собой массивные конструкции с усиленной теплоизоляцией, окрашенные в черный цвет. Недостаток такой системы прямого нагрева - медленный подъем температуры в зимние дни и чрезмерная жара летом - устраняется с помощью накопительной стенки с солнечной стороны (рис.3.2б). Стенка работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой циркуляцией. Летом такую стену может затенять козырек крыши.

Активные солнечные отопительные системы используют внешние нагреватели воздуха и воды. Их можно устанавливать на уже существующие здания.

В системах непрямого преобразования в электрическую - на гелиотермических электростанциях солнечная энергия, аналогично энергии органического топлива на ТЭС, превращается в тепловую энергию рабочего тела, например, пара, а затем в электрическую. Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков - сотен мегаватт. Концентрация солнечной энергии может осуществляться с помощью рассредоточенных коллекторов в форме параболоидов диаметром более 30м.

Рис.3.2 Пассивные солнечные нагреватели:

а - прямой нагрев задней стенки здания: использованы массивные, окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечной теплоты;

б - здание с накопительной стенкой.

Рис.3.3 Солнечные системы накопления тепловой энергии.

а) солнечная электростанция башенного типа: 1 - солнечный котел; 2 - гелиостат; 3 – паровая

Каждый из них независимо следит за Солнцем и передает его энергию теплоносителю. Альтернативный вариант - солнечные электростанции башенного типа. На них системы плоских зеркал, расположенные на большой площади, отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник на вершине башни (рис.3.3).

К сожалению, КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на гелиотермических электростанциях составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии несопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Серьезная проблема - непостоянство солнечного излучения в течении суток, его зависимость от времени года. Для обеспечения круглосуточного энергоснабжения требуется аккумулирование энергии. В этой связи рациональна совместная работа гелиотермической и гидроаккумулирующей электростанций.

Заманчиво и многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов (рис.3.4), в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД составляет не более 15%, и они очень дороги. Предложено два варианта реализации принципа фотоэлектрического преобразования. Первый

заключается в создании солнечных станций на искусственных спутниках Земли, оборудованных солнечными панелями из фотоэлементов площадью от 20 до 100 км2 в зависимости от мощности станции. Вырабатываемая на спутниках электроэнергия будет преобразовываться в электромагнитные волны в микроволновом диапазоне частот, направляться на Землю, где принимается приемной антенной. Второй предполагает монтаж сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных и малоиспользуемых пустынных районах Земли.

Для территории Беларуси свойственны относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток года. В этой связи необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. Поэтому для нашей республики реально использование солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия топливно-энергетических ресурсов оценивается всего в 5000 у.т./год.