Развитие и размещение нетрадиционных источников электроэнергии РФ

Солнечные установки  практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте  и требуют затрат лишь на их  сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

Гелиоконцентратор представляет собой прибор, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с  водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого  действия.

 Наиболее эффективно  их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе  они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного алюминия.  Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (Рис. 3) имеют форму: 1) цилиндрического параболоида (а); 2)параболоида вращения (б); 3)плоско-линейной линзы Френеля (в).

Рис. 3. Формы концентраторов солнечной энергии

 

 

 В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

Рис.4. Солнечный водонагреватель

Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю  часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована  для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.  Дневная производительность на широте  50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе  достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

 Тепловые концентраторы  – это деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом.  Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый  металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или  вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

Более эффективный путь использования солнечной энергии - это непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.

Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы  существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.

    Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе - и для регулирования экологических условий на больших территориях[5].

2. Ветровая энергия.

 

На первый взгляд ветер  кажется одним из самых доступных  и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца, он может  “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце.

Таким образом, встают две  проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования  энергии ветра. Во-первых, это возможность «ловить» кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ: 1) экологически чистое производство без вредных отходов; 2) экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций); 3) доступность; 4) практическая неисчерпаемость.

Ветровые двигатели  не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее, всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин.

Рис.5. Крыльчатый ветродвигатель

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий  момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию,  водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток  оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. 

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор  для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией. 

Традиционная компоновка ветряков – с  горизонтальной осью вращения (Рис.5)  – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает  опасность разрушения лопастей.

Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использования энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается  небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с  горизонтальной осью оказывать реальную  конкуренцию традиционным источникам  энергии. В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать  на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов. Что касается единичных мощностей выпускаемых в мире ветроустановок, то их спектр весьма широк: от нескольких сот Вт до 2-4 МВт.

Малые ВЭУ (мощностью  до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, и сферы их использования во многом совпадают с фотопреобразователями. Особенно эффективно использование малых установок для водоснабжения (подъем воды из колодцев и скважин, ирригация). Автономные малые ветроустановки могут комплектоваться аккумуляторами электрической энергии и/или работать совместно с дизельгенераторами. В ряде случаев используются комбинированные ветро-солнечные установки, позволяющие обеспечивать более равномерную выработку электроэнергии, учитывая то обстоятельство, что при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной - наоборот, усиливается.

Большинство типов ветродвигателей  известны так давно, что история  умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на Рисунке 6. Они делятся на две группы: 1) ветродвигатели с горизонтальной осью  вращения (крыльчатые) (2-5);

     2) ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).  Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

 

Рис 6. Типы ветродвигателей.

 

Отбор мощности начинается при скорости  ветра около 5 м/с, а номинальная мощность  достигается  при скорости 14-16 м/с. Предварительные  расчеты ветроустановок предусматривают  их использование в диапазоне  от 50 до  20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому  движутся крылья, составит около 80 метров. 

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми –  взять числом, а  не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем  можно просуммировать  выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки[5]. 

 

3. Геотермальная энергия.

 

Значительная часть  поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В ряде географических районов использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии. Такое количество энергии позволяет рассматривать теплоту Земли как альтернативу органическому топливу. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину.

Источники геотермальной  энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

1) Месторождения геотермального сухого пара. Они сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки. Тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников.

2) Источники влажного пара (смеси горячей воды и пара). Они встречаются чаще. При их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности).

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

4) Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более). Их запасы энергии наиболее велики.

5) Магма, представляющая собой нагретые до 1300°С расплавленные горные породы.

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

Общий выход тепла  из недр Земли на ее поверхность  втрое повышает современную мощность энергоустановок мира и оценивается  в 30 ТВт. При этом средняя плотность глубинного теплового потока составляет всего 0,06 Вт/м², что примерно в 3500 раз меньше средней плотности солнечного излучения. Общее количество теплоты, которым располагает Земля, в топливном эквиваленте составляет примерно 4,5/108 трлн. т.у.т. Но тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии, накопленная в 5-километровом слое земной коры. К тому же, с технической и экономической точек зрения земное тепло можно осваивать только в нескольких регионах с благоприятными геологическими условиями.

Геотермальное тепло  можно утилизировать либо "непосредственно", либо преобразовывать его в электричество, если температура теплоносителя  достигает более 150°С.

В последние годы во многих странах стали применять тепловые насосы, в которых используется низкопотенциальная тепловая энергия с температурой 4-6°С и выше. В качестве источника такой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). В России, к сожалению, тепловые насосы пока широкого распространения не получили, и работает их не более 100 единиц суммарной мощностью около 60 МВт.[11]

Самая простая и доступная  геотермальная энергоустановка представляет собой паротурбинную установку с противодавлением[5]. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторичный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные затраты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (Рис. 7).

Рис.7. Схема геотермальной электростанции с непосредственным

использованием природного пара: 1 – скважина;  2 – турбина;  3 –

генератор;  4 – выход  в атмосферу или на химический завод.