Энергосбережение и нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Солнечная станция мощностью 150-200 МВт занимает площадь           2,5 – 3,5 км ² под зеркала.

Тепловая мощность СЭС определяется из соотношения

где  – солнечная радиация кВт/м²;

– площадь зеркал;

– отражательная способность  зеркал (0,75);

- учитывает угол падения излучения  на гелиостаты при постоянном  слежении за Солнцем и импульсном движении;

 - коэффициент поглощения поверхности  котла;

 -  коэффициент запыления при периодической чистке поверхности зеркал;

- коэффициент тепловых потерь;

 - мощность электроприемников  собственных нужд станции: питательных  насосов,  электроприводов  поворота зеркал, наружное и внутреннее освещение.

Это новый тип электростанций считается  способным конкурировать со станциями, работающими на мазуте, газе и, тем  более, на угле. Во многих странах мира успешно эксплуатируется СЭС  мощностью от 10 МВт (площадь 52 Га, 1818 гелиостатов, бойлер на высоте 95 м, температура пара 510 °С) до 100 МВт в Европе – Испания, Сицилия, Франция, Италия.

В Японии наряду с несколькими действующими СЭС мощностью порядка 10 МВт сооружается  СЭС мощностью 1000 МВт с гелиостатами площадью 30 км ²  в море на  мелководье.

Начала работать Крымская СЭС (1600 плоских  зеркал 5 х 5 м, бойлер на высоте 70 м, выработка  пара 28 т/ч, давление 4 Па, температура   250 °С).

Несмотря на то, что в Республике Казахстан широко развита система  централизованного теплоснабжения в городах и в крупных поселках городского типа, около 45% всей производимой  низкопотенциальной теплоты приходится на долю малых установок, использующих, в основном, уголь. Индивидуальные котельные и системы отопления малых домов являются источниками дыма, создающими плотный слой газов над городом. Проблема  организации экологически чистого теплоснабжения может решаться  путем  перевода малых котельных на газообразное топливо, где есть дешевый газ или установкой систем, преобразующих в тепло излучение Солнца. В этом направлении  используются  два типа гелионагревателей – плоские и трубчатые.

Плоские гелионагреватели обычно изготавливаются  из металлического или пластмассового листа с черным поглощающим свет покрытием, на котором расположены  металлические или пластмассовые трубки. По трубкам прокачивается вода в одноконтурных нагревателях, либо незамерзающая жидкость (в двухконтурных системах). Изменение мощности нагревателя производится увеличением или уменьшением его площади. Для повышения эффективности гелионагреватели снабжаются устройствами поворота при слежении за положением Солнца и возврата в положение «на восток» в ночное время под разными углами, соответствующими  временам года, а также системами хранения тепла типа термосов.

Трубчатые гелионагреватели  в настоящее время получили наибольшее распространенные в мире. Они имеют наружную  трубу, выполненную из специального стекла, пропускающего вовнутрь всю энергию, поступающую от Солнца. Внутренняя труба  изготовлена из стекла, имеющего высокую теплопроводность и покрыта специальным составом, активно поглощающим солнечное излучение – ультрадисперсным черным  порошком  на основе оксида алюминия с размерами частиц 2 – 3 нМ В кольцевом зазоре между трубами создан высокий вакуум С одного конца трубы спаяны, внутренний конец внутренней трубы удерживается пружиной, на которой нанесен специальный состав, поглощающий остатки газа в межтрубном зазоре. Высокий вакуум в зазоре необходим  для предотвращения передачи тепла от нагревающейся  внутренней трубы к наружной и далее в окружающее пространство, т.е. для получения высокого КПД нагревателя.

Трубы располагаются на наклонной  поверхности, устанавливаемой под  такими углами, чтобы на каждой широте Земного шара в любое время  года можно было получить на них  максимальную освещенность. При переходах от зимы к весне, от весны к  лету, от осени к зиме производят переустановку наклона панелей гелионагревателей. Благодаря установке труб на определенном расстоянии друг от друга, равном приблизительно диаметру труб, отсутствует необходимость поворота панели нагревателей вслед за солнцем. Это является существенным преимуществом трубчатых  гелионагревателей, по сравнению с плоскими. Принцип работы трубчатых  гелионагревателей состоит в следующем.

В нижнюю часть  расширительного бака поступает холодная вода. В результате поглощения солнечной энергии вода, прилегающая к внешней поверхности труб нагревается и всплывает на поверхность бака, холодная вода стекает вниз. Так продолжается до тех пор, пока вся вода не нагреется до температуры, соответствующей  интенсивности солнечного излучения в данное время.

Трубчатые нагреватели для двухконтурных  систем. Они применяются в климатических  условиях имеющих низкие температуры  в ночное время и при невозможности  использования воды как средства переноса энергии. Солнечные нагреватели для двухконтурных систем  содержат тепловые медные трубы, наполненные незамерзающей низкокипящей неядовитой жидкостью, с помощью которой тепло переносится от солнечной теплообменной поверхности к наконечнику тепловой трубы, погружаемому в нагреваемую воду. Медная тепловая труба покрытая поглощающим  свет составом, содержащая незамерзающую нетоксичную жидкость находится внутри коаксиально расположенных труб(Evacuated Tube),между которыми удален воздух. При нагреве горячий пар переходит в верхнюю часть тепловой трубы и нагревает ее наконечник (окрашено к красный цвет). Охлажденный пар и холодная жидкость( окрашено в синий цвет) от наконечника трубы опускается вниз и цикл повторяется. Солнечная система для подогрева воды в закрытом плавательном бассейне содержит солнечные панели с принудительной прокачкой воды, теплообменные емкости, циркуляционные насосы и угольные фильтры. 

 

8 Лекция №8.  Гидроэнергетика

Содержание  лекции:

 

Работа водного потока, структурные схемы гидроэлектростанций, классы и характеристики гидравлических турбин и генераторов.

Цель лекции: показать способы и  технические средства преобразования энергии движущейся воды в электроэнергию, возможности развития «малой гидроэнергетики  в Казахстане».  

 

Вода, являясь одним из наиболее распространенных и наиболее подвижных тел Природы, участвует во всех физических, химических и биологических процессах, совершающихся на Земле. В связи с постоянным перемещением воды в природе, ее круговоротом, водные ресурсы являются возобновляемыми.

Часть водных ресурсов, которая может  быть использована для производства электроэнергии, относится к гидроэнергетическим  ресурсам. Для выработки электрической  энергии могут быть использованы приливы и отливы мирового океана, морские волны, глобальные морские течения, как, например, Гольфстрим и Куросиво, тепло океана, вода   рек.  В настоящее время  интенсивно исследуется возможность использования энергии малых рек, ранее в балансе экономических гидроресурсов не учитывавшихся.  Они могут быть использованы для  снабжения электроэнергией  местных потребителей и создания  местных энергетических систем с участием ветроэлектростанций и солнечных преобразователей.

Отличительной особенностью речного  стока является его изменчивость  во времени. Для стабилизации расхода и напора воды сооружаются водохранилища, обеспечивающие накопление воды и  суточное, сезонное или многолетнее регулирование ее расхода. При этом используется каскадный принцип освоения водных ресурсов, когда энергия реки используется несколькими, расположенными друг за другом ГЭС, при этом в каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные  гидроэлектростанции. Примером может служить каскад Алматинских ГЭС, где ГЭС – 1 плотинная, ГЭС – 2 и остальные  - деривационные. Чтобы получить достаточные сведения о мощности реки в месте сооружения ГЭС, надо выполнить следующие работы: а) топографическую рекогносцировку; б) измерение уровней воды; в) определение расходов воды.

Топографические материалы служат для определения напора, границ затопления сельскохозяйственных угодий при сооружении водохранилищ, площади и объема водохранилища, а также для выбора места сооружения ГЭС. Для малых ГЭС (до 15 кВт) инструментальных топографических работ можно не делать, а ограничиться глазомерной съемкой.

Расход воды определить труднее, чем  ее напор, главным образом потому, что неясно, какой из расходов реки считать обычным продолжительным  расходом в течение года (так называемым меженным расходом).

При отсутствие плотины расход воды в реке можно определить, измеряя среднюю скорость речного потока v м/сек и площадь сечения реки в месте замера S м².

Скорость потока измеряют поплавком  или более точно – гидрометрическими  вертушками.  

Так как поплавок показывает скорость только верхнего слоя воды, т.е. наибольшую скорость речного потока, то найденную среднюю скорость v м/с надо уменьшить примерно на 25%, т.е. умножить ее на 0,75.

Вычисляя площадь сечения реки путем суммирования отдельных элементарных площадок, надо учитывать неправильность формы этого сечения (Площадь сечения потока в прямоугольном лотке равна произведению ширины этого потока на его высоту).

Таким образом, расход воды  (м³ сек) будет равен

.

Структурные схемы гидроэлектростанций 

Для превращения речного стока  в гидроэнергетические ресурсы  необходимо несколько компонентов:

- водохранилище, образующееся при  перегораживании русла реки плотиной, создающей напор перед турбиной;

- напорная деривация – трубопровод,  подающий воду в турбину.

Водохранилище отличается от естественного  водоема – озера тем, что оно  является регулятором речного стока и имеет переменный уровень в зависимости от величины поступления воды и расхода ее через турбины ГЭС.

Рассмотрим и поясним  некоторые основные положения, определения и термины. Период аккумуляции речного стока называется наполнением водохранилища, а период отдачи накоплений воды - сработкой    водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и его сработка в нормальных условиях производится до некоторых предельных уровней.

Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями, носит название нормального подпорного уровня (НПУ). Объем водохранилища при этом уровне называется полным  объемом  и обозначается .

Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема . Этот объем определяется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Объем воды между НПУ и УМО называется полезным , так как именно этот объем может быть использован для удовлетворения различных целей. Объем же воды, находящейся ниже УМО, называется мертвым , поскольку он не может быть использован в нормальных условиях эксплуатации. Таким образом, .

В общем виде уравнение водного баланса водохранилища за некоторое время Т может быть представлено следующим равенством

где  - зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла;

 - приток воды в водохранилище за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой приток, для каскада - приток от вышележащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами);

- использованный объем водохранилища за период Т (в формуле знак плюс относится к периоду сработки, знак минус — к периоду наполнения водохранилища);

 и  - стоки: забираемый из водохранилища и возвращаемый соответственно;

 - потери воды из водохранилища за время Т (они обычно включают  потери на фильтрацию, льдообразование и расход через шлюзы, если они имеются).

Период накопления в водохранилище  паводковых или регулярных вод называется наполнением, а период отдачи накопленной  воды – сработкой  водохранилища. Сработка водохранилища производится через водоводы гидроэлектростанций.

Гидравлическая энергия водоводов  представляет собой работу, которую  совершает текущая в них вода. Силой, осуществляющей работу водного  потока, является собственный вес воды и скорость ее движения. Энергия воды определяется напором, т.е. разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка водотока и расходом в единицу  времени.

Если падение участка водотока (реки) длиной L, м, составляет H, м, то при расходе воды Q, м³/сек, равном его среднему значению в начале и конце участка, работа текущей воды в течение 1 сек, т.е. мощность водотока N на рассматриваемом участке, составляет

,

если  – плотность воды, равная 1000 кг/м³; g – ускорение свободного падения м/с², тогда

, кВт.

Энергия водотока , определяемая произведением мощности  на время t, составляет,

, кВт.ч

где   – объем используемого стока, м³.

Формулы мощности водотока выражают потенциальную мощность и выработку электроэнергии. Реальная или техническая мощность будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, подводящих воду из реки к турбинам, в самих турбинах и генераторах ГЭС, учитываемых коэффициентом полезного действия . Тогда получим полезную мощность, кВт

и соответственно электроэнергию