Альтернативная энергетика. Возобновляемые и не возобновляемые источники энергии

 

 

 

 

 

4. Альтернативные  источники

 

Обратимся теперь к альтернативной энергетике, основанной на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь подробнее каждый из них и выясним, возможно ли, и на сколько эффективно их применение.

 

 

4.1. Приливные электростанции (ПЭС)

 

  Энергия морских  приливов огромна. Однако практическое  использование затруднено, поэтому  моря и океаны могут удовлетворять только 1% мировой энергопотребности.

Достоинства: 1.минимум поверхности на суше; 2.не загрязняется атмосфера; 3.даровой источник.

Недостатки: 1.в море занимает очень большие пространства, опасно для судоходства.

 

4.2. Гелиоэнергетика

 

  Солнце – источник всех остальных видов энергии на планете. Оно посылает огромное количество ккал на Землю. Так как абсолютно чистой атмосферы нет, половина солнечной энергии рассеивается, до поверхности Земли доходит лишь 50%. И даже это количество грандиозно превышает все другие виды энергии.

  Всю солнечную  энергию использовать нельзя  – часть ее переходит в тело  морей и океанов, часть обеспечивает  круговорот воды в природе,  часть идет на фотосинтез. Кроме  того, 30% отражается поверхностью  Земли и возвращается в космос.

Достоинства: 1.СЭС не загрязняют атмосферу; 2.солнечные киловатты бесплатны.

Недостатки: 1.проблема связана с циклическим характером поступления; 2.под солнечные батареи используется большая площадь Земли;

3.КПД солнечных установок  пока очень низок (около 10%). Однако, при высоких КПД значительная часть солнечной энергии, падающей на Землю вблизи СЭС, будет изыматься, что приведет к сильному локальному понижению температуры и интенсивной конденсации паров в атмосфере. Это в свою очередь будет препятствовать проникновению солнечных лучей к земной поверхности; 4.плотность солнечной энергии низкая, и требуются большие средства на ее улавливание и хранение.

 

 

Солнечные батареи.

  Солнце ежесекундно  дает Земле 80 тыс. миллиардов  киловатт, то есть в несколько тыс. раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Годовой поток солнечного излучения на территории России изменяется в широких пределах (см. прилож. 1). Так на один квадратный метр горизонтальной поверхности на северных островах и северо-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550-830 кВт*ч, на большей части европейской территории и Сибири – 830-1200 кВт*ч, в южных районах Поволжья, Сибири и Дальнего Востока – 1100-1389 кВт*ч.

  В среднем в году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 , достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1000 . В условиях средней полосы России солнечное излучение «приносит» на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у. в год.

  Солнечные батареи  или солнечные модули (см. прилож. 2,3.4,5) предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую для электропитания электротехнических, электробытовых и электронных, а так же других устройств.

  Солнечный модуль  – это модуль, преобразующий солнечную  радиацию в электрическую фронтальной и обратной сторонами. Солнечный модуль представляет собой группу солнечных элементов (см. прилож. 6), размеры каждого из которых 85*85*0,4 мм. Размеры солнечных модулей зависят естественно от количества элементов, включенных в состав модуля. Электрические параметры модуля, состоящего из 72 элементов, составляют: мощность – 68 ватт, номинальное напряжение – 12 вольт, так максимальной мощности – 4 ампера.

  Солнечная энергия  – это возможность извлечь  выгоды сразу в 2 направлениях. На Земле 2 миллиарда человек нуждаются в этой технологии, и она уже реально конкурирует с другими источниками энергии, которыми они располагают – нефтью, например. Даже в индустриальном мире, в облачных странах – таких как Великобритания – мы можем получить все необходимые нам тепло и электричество из солнечных коллекторов-панелей, установленных на высоких зданиях. 

 

4.3. Ветроэнергетика

 

  Попытки использовать силу ветра своими корнями уходят в далекие времена. Вспомните ветряные мельницы, с которыми боролся Дон Кихот. Силу ветра можно реально считать базой развития будущей энергетики.

  Достоинства: 1.используется даровая энергия; 2.экологически чисты, не влияют на тепловой баланс атмосферы Земли.

  Недостатки: 1.низкая интенсивность, поэтому они занимают большие площади; 2.портят ландшафт (некрасиво); 3.работа ветровых установок неблагоприятно влияет на работу телевизионной сети; 4.источник шума (этот район покидают животные и птицы); 5.если наступает затишье, ветровая энергия равна нулю, а приток энергии нужен постоянный.

  Человек еще не  научился делать запасы электроэнергии  в большом количестве, как, например, угля, нефти. Но ученые смотрят  на эти проблемы оптимистически  и считают, что они разрешимы  и что это энергетика будущего.

  Ветроэнергетика России

 

  Один из важных  нетрадиционных источников энергии  – ветер. Проведенные во многих  странах исследования показали, что современные ВЭУ могут  быть эффективно использованы  в регионах со среднегодовой  скоростью ветра, превышающей  3-5 м/с.

  Первое место использованию энергии ветра занимают США, где  в Калифорнии эксплуатируется три крупнейших в мире ВЭС.

  Если высказать  общую оценку состояния и перспектив  ветроэнергетики за рубежом, то  можно указать, что наибольшее  число ВЭУ имеет трехлопастное  ветроколесо пропеллерного типа (см. прилож. 7). Применяются так же установки с двухлопастным колесом (см. прилож. 8) и с вертикальной осью вращения.

  . Установки мощностью  100 кВт и меньше имеют решетчатую  стальную башню, установки мегаватного  класса имеют также железобетонные башни.

  Рабочий диапазон  скоростей ветра (включения и  отключения) составляет от 8 до 67 миль/ч  или 4-30 м/с. Нормативная расчетная  эксплуатационная скорость 8,9 –  17,9 м/с. (см. прилож. 9). Наилучшие эксплуатационные показатели достигнуты на установке мощностью 100 кВт фирмы VS Windpower. Общее число этих установок, производство которых освоило также совместное предприятие Windenergo на Украине, сегодня превышает 5 тысяч.

  Отношение к ветроэнергетике,  в первую очередь, связано с  прогрессом в области создания эффективных, надежных и экономичных технологий и оборудования, а так же жесткими экологическими требованиями.

  Использование энергии  ветра в нашей стране имеет  большую историю. В 1913 году  в России действовало более  1 миллиона ветряных мельниц. В 1931 году была построена в районе г.Балаклавы опытная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт для параллельной работы на местную электросеть. В 1935 году был выпущен первый Атлас ветроэнергетических ресурсов СССР. В 50-х годах для нужд сельского, лесного хозяйства, охотников, геологов производилось более девяти тысяч ветроустановок в год. Однако в последующие годы в связи с изменением стратегии развития энергетики – ориентаций на строительство крупных электростанций, создание единой энергетической системы, мощных межсистемных связей – эти работы существенно затормозились.

  По оценкам ветрового  потенциала энергетические ветровые  зоны в России имеются на  побережье и островах Северного  Ледовитого океана от Кольского  полуострова до Камчатки, в районах  Каспийского и Аральского морей и нижней Волги, на побережье Охотского, Баренцева, Черного и Азовского морей и составляют почти 5 миллионов квадратных километров. При этом длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2 тысяч до 5 тысяч часов в год. По заказу РАО «ЕЭС России «МКБ» Радуга» совместно с Институтом экспериментальной метеорологии и Научно-исследовательским институтом Гидрометинформации (мировой центр данных) создан пакет прикладных программ «Ветропотенциал». Программы позволяют рассчитывать:

1. Вероятные характеристики ветрового потенциала (скорость, направление скорости ветра, частотный спектр и т.д.) для любого типа местности кроме горных массивов.

2. Годовую выработку электроэнергии  для любого типа серийных, опытных  и проектируемых ВЭУ (ВЭС) с учетом шероховатости подстилающей поверхности.

3. Профиль скорости ветра до  высоты 200 метров над уровнем поверхности  земли в данной местности.

  По крупномасштабным картам  можно: 

1. Оптимизировать местоположение  ВЭУ на заданной местности, то есть провести топографическую привязку из условий получения максимальной выработки электроэнергии.

2. Выдать рекомендации по размещению  ВЭУ в составе ВЭС заданной  мощности, исходя из тех же  условий.

  Программы позволяют построить  карты ветрового потенциала (с границей по скорости ветра, кратной 1 м/с) для любого региона, любого государства и подобрать для каждого района ВЭУ, оптимизированные для заданной местности.

  Давайте рассмотрим ветроустановки  АВЭ–250 (НПО «Ветроэн» и НПО  «Южное»), смонтированные на полигоне ВНИИГА и ЭБНЭ в п.Дубки  (Чиркейская ГЭС).

  Эти установки имеют трехлопастное  колесо пропеллерного типа. Лопасти  установок разработки МКБ «Радуга»  имеют профиль «Эсперо», а установки  АВ–250–профиль NACA 44. Несущим элементом лопастей Р-250 и Р-1000 является стальной лонжерон коробчатого сечения, не связанный с внешним контуром лопасти и не имеющий геометрической крутки поперечных сечений. Обшивка лопастей выполняется из алюминиевых сплавов. Лопасти установки АВЭ-250 изготовляются из стеклопластика. Дальнейшим развитием этой установки является Ю-500.

  Упомянутые установки с горизонтальной  осью вращения имеют регулируемые  цельноповоротные лопасти. Это  позволяет при постоянных оборотах  ветроколеса стабилизировать на  определенном уровне момент на валу ветроколеса (ВК) при скорости, больше нормативной (12-30 м/сек) и меньше допустимой (25-30 м/сек), снизив при этом нагрузки на лопасти, обеспечивать разгон и тормоз ВК без дополнительных устройств и значительно уменьшить нагрузки на неподвижное ВК и ВЭУ при штормовом ветре.

  Ветроэнергетические установки  бывают с горизонтальной (лопастные  ВУ) и вертикальной (роторные ВУ) осью вращения, а так же открытого  типа (традиционные ВУ) и закрытого  (турбина в корпусе) типа. Лопастные  ВУ открытого типа не удовлетворяют экологическим требованиям и поэтому могут устанавливаться только в безлюдной местности. Сегодня это наиболее освоенный промышленностью вид ветроустановок, однако, по эффективности и целому ряду характеристик эти ВУ уступают ветроустановкам (см. ВУ, прилож. 10,11,12) последнего поколения.

  Для получения значительной  мощности, как правило, традиционные  лопастные малые ВУ объединяют  в «ветровые поля» или «ветровые  плотины» и «фермы» (США, Дания). Первенство в Европе по освоению  традиционных ВУ принадлежит Дании: на ее долю приходится около 80% установленной мощности ВЭС европейских стран.

  Более перспективно использование  в ветроэнергетике ВУ, построенных  на вертикально-осевой схеме.  Преимущества таких ВУ по сравнению  с традиционными установками, построенными по горизонтально-осевой схеме: независимость от направления ветра; размещения оборудования на фундаменте; отсутствие механизма поворота лопастей; тихоходность ветровой турбины. Однако высокие значения номинальной скорости ветра (10-13 м/сек) не позволяют получить достаточную эффективность (в большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра составляет 4-6 м/сек, при этом положительный экономический эффект от работы ВУ следует ожидать при числе часов использования установленной мощности не менее 2000. Кроме того, даже «тихоходные» ВУ открытого типа являются источниками излучения инфразвукового диапазона частот, опасных для живых организмов. Поэтому наиболее перспективным направлением в ветроэнергетике следует считать создание ВУ по вертикально-осевой схеме, но в специальном звукоизолирующем корпусе, который снабжен воздухозаборником и формирователем (усилителем) воздушного потока, и др. устройствами. При этом турбина работает не в прямом, а в сформированном закрученном, восходящем потоке. По такой схеме построены ВУ фирм «Груман» - США и «Таурас» - Бельгия, которые превосходят по эффективности ВУ открытого типа (сост. части ВУ см.  13).

 

Энтузиаст альтернативной энергетики

  Среди нас есть такие люди, которые берутся за отдельные виды энергетики. Давайте, узнаем о них!

  

  На балконе квартиры жителя Хабаровска Льва Овиса стоит солнечная батарея, подключенная к аккумулятору. Эта конструкция гарантирует бесперебойное питание бытовых приборов на случай отключения электричества. Если бы у Овиса был загородный дом, над его крышей обязательно крутились бы лопасти ветряка. Лев Овис—энтузиаст альтернативной энергетики. И один из немногих, кто научился на ветре зарабатывать.

  В начале 70-х молодой выпускник Киевского военно-инженерного училища связи прибыл для прохождения службы в укрепрайон на границе с Китаем. «Электричества сильно не хватало, хотя об этом, конечно, не сообщалось. Обычные для этих мест ураганы, пожары нередко обесточивали не только поселки, но и воинские части. Надо было искать альтернативу»,— вспоминает Овис. Идея молодого инженера оснастить погранзаставы ветряными двигателями не пришлась по вкусу армейским начальникам. Отслужив положенное, Овис нашел себе других партнеров: в 1992 году он образовал СП с голландской фирмой LM W Windenergy BV, производителем экологически безопасного оборудования для выработки энергии. Хабаровскую компанию назвали «Ветроэнергетика» — в честь голландских соучредителей.