Возобновляемые источники энергии

 

 

c) Параболические концентраторы

Параболические концентраторы  имеют форму спутниковой тарелки. Параболический отражатель управляется  по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается  таким образом, чтобы область  нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя  Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния солнечной чистоты. В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %.В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт•ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015—2020 г.Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 г. будет построено 20 тыс. параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.

d) Освещение зданий с помощью световых колодцев .

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

 

2.1.3. Достоинства и недостатки солнечной энергетики.

Достоинства.

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.

• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки.

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

• Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

• Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).

• Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

• Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.

• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

2.1.4. Вывод.

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

 

 

 

2.2. Ветровая энергия.

Ве́тер — поток воздуха, движущийся относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с.Ветры над большими площадями образуют обширные воздушные течения — муссоны, пассаты, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы.

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

2.2.1. Получение энергии с помощью ветрогенераторов.

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

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

2.2.2. Типы ветродвигателей.

Большинство типов ветродвигателей  известны так давно, что история  умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов 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.

 

a) Крыльчатые

     Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их  вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

b) Карусельные

     Различие в аэродинамике  дает карусельным установкам  преимущество в сравнении   с традиционными ветряками. При  увеличении скорости ветра они  быстро наращивают  силу тяги, после чего скорость вращения  стабилизируется. Карусельные ветродвигатели  тихоходны и это позволяет  использовать  простые электрические  схемы, например, с  асинхронным  генератором, без риска потерпеть  аварию при случайном порыве  ветра.  Тихоходность выдвигает  одно ограничивающее требование  – использование многополюсного  генератора работающего на малых   оборотах. Такие генераторы не  имеют широкого распространения,  а использование  мультипликаторов  – повышающий редуктор  не  эффективно из-за низкого КПД  последних. Еще более важным  преимуществом карусельной конструкции  стала ее способность  без  дополнительных ухищрений следить  за  тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для  приземных рыскающих потоков.  Ветродвигатели подобного типа  строятся в  США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный  ветродвигатель  наиболее прост  в эксплуатации. Его конструкция  обеспечивает максимальный момент  при запуске ветродвигателя и  автоматическое саморегулирование  максимальной  скорости вращения  в процессе работы. С  увеличением  нагрузки уменьшается скорость  вращения и возрастает вращающий   момент вплоть до полной остановки.

 

 

 

c) Ортогональные

 Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется  тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 13. (6)). Самолет, прежде  чем «опереться» на подъемную силу крыла,  должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить  и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.Отбор мощности начинается при скорости  ветра около 5 м/с, а номинальная мощность  достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до  20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому  движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем  можно просуммировать  выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки. 

 

 

 

 

 

 

2.2.3. Достоинства и недостатки ветрогенераторов.

Достоинства.

- Экологически-чистый вид энергии.

 

 

- Эргономика.

- Возобновимая энергия.

- Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест.

Недостатки.

- Нестабильность.

- Относительно невысокий выход электроэнергии.

- Высокая стоимость.

- Природные  условия.

- Шумовое загрязнение.

- Пожары.

 

 

 

 

 

2.2.4. Вывод.

Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического  использования природных возобновляемых энергоресурсов. Мировыми лидерами в  ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В настоящее  время в России возникли новые  организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. В России, по мнению экспертов, уникальное сочетание благоприятных факторов для развития ветроэнергетики:

- обширная территория;

- богатый и хорошо изученный потенциал ветра (127 ТВтч);

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

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

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

 

 

 

2.3. Геотермальная энергия.

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

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

 

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

Источники геотермальной  энергии

по классификации Международного энергетического агентства делятся  на 5 типов:

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

2.3.1. Геотермальные электростанции

 Способы использования геотермальной энергии

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

150⁰ С).

 

Принципы работы

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