Возобновляемые источники энергии

Оглавление

Возобновляемые источники энергии

Возобновляемая или регенеративная энергия («Зеленая энергия») — энергия из источников, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения.

 В понятие возобновляемые источники энергии (ВИЭ), включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, энергия биомассы, гидроэнергия, низкопотенциальная тепловая энергия и другие, "новые" виды возобновляемой энергии.

Принято условно разделять ВИЭ на две группы:

• Традиционные: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.
• Нетрадиционные: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие "новые" виды возобновляемой энергии.

В 2013 году около 21 % мирового потребления энергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии.

Гидроэнергия

Энергия естественного движения, т.е. течения, водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды.

Первоначально энергию потока воды использовали в приводах рабочих машин - мельниц, станков, молотов воздуходувок и т.д. С изобретением гидравлической турбины, электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния гидроэнергетика приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики, связанное с освоением водной энергии путем преобразования ее в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС). ГЭС являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от тепловых электростанций в отношении регулирования частоты, покрытия пиковых нагрузок и обеспечения аварийного резерва энергосистемы

Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

Почти вся гидравлическая энергия представляет собой одну из форм солнечной энергии и поэтому относится к возобновляемым природным энергоресурсам. Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода, в конце концов, возвращается в водные бассейны, т.е. туда, откуда испарилась. С таким круговоротом воды в природе связаны колоссальные количества энергии. Географическая область умеренного климата высотой над уровнем моря около 2500 м и количеством осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади. На самом деле можно использовать лишь малую долю всего количества осадков и лишь ничтожную долю высоты, с которой они стекают. Кроме того, обычно КПД современных гидротурбин и генераторов не превышает 86%. Тем не менее, производительность гидроэлектростанций (ГЭС) в США составляет около 75 000 МВт, и по крайней мере еще 50 000 МВт можно получить дополнительно.

Развитие гидроэнергетики связано со строительством гидроузлов, которые обычно создаются не только для электроэнергетики, но и в интересах водного транспорта, рыбного хозяйства, ирригации, водоснабжения и т. п. Рациональное использование гидроэнергетических ресурсов позволяет решать многие проблемы, связанные с орошением безводных сельскохозяйственных земель, судоходством на реках, обеспечением дешёвой электроэнергией энергоёмких производств, электрификацией железных дорог и т. п. Гидроэнергетика обеспечивает выработку недорогой электроэнергии наиболее экологически чистым способом. К достоинствам гидроэнергетики относятся: постоянная естественная возобновляемость гидроэнергетических ресурсов; низкая себестоимость электроэнергии; экономия трудовых затрат при эксплуатации; высокая манёвренность гидроэнергетического оборудования (обеспечение быстрого изменения режимов работы); комплексное использование водных ресурсов; положительное влияние на индустриальное развитие малоосвоенных регионов и др. Недостатки гидроэнергетики: большая продолжительность строительства гидроэлектростанций; значительные удельные капиталовложения (на 1 кВт установленной мощности); зависимость выработки электроэнергии от водных режимов.

Энергия водного потока привлекала своей доступностью людей с древних времён, история её применения насчитывает более 2 тыс. лет. Для её использования строили водяные колёса, которые приводили в движение, напр., мельничные жернова. До изобретения паровой машины энергия воды вообще была основной движущей силой в приводах станков, молотов, воздуходувок и т. п. Гидроэнергетика сыграла решающую роль в развитии мануфактуры в 17 в.

К нач. 18 в. в России было построено более 3 тыс. промышленных предприятий, на которых работали установки с приводом от водяного колеса (напр., на р. Кораблиха на Алтае, где перемещение гружёных вагонеток осуществлялось с помощью такой установки, сооружённой в 1765 г. мастером К. Д. Фроловым). Самые мощные водяные колёса были установлены на р. Нарова в кон. 18 в.; они имели диаметр 9.5 м, ширину 7.5 м и при напоре 5 м развивали мощность 500 л.с. В 1-й пол. 19 в. была изобретена гидравлическая турбина, открывшая новые возможности использования гидроресурсов. Важнейшим направлением гидроэнергетики стало строительство гидроэлектрических станций для преобразования гидроэнергии в электрическую.

1. Гидроэнергетические ресурсы

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединенные Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия. Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится всего около 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35% полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) вносят лишь 5 и 18% соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии. Из остальных континентов Европа (21% ресурсов) дает 31% выработки, а Южная Америка и Австралия, вместе взятые, располагая примерно 15% ресурсов, дают только 11% производимой в мире гидроэлектроэнергии.

2. Принципы преобразования гидроэнергии

 Гидроэлектрическая станция (ГЭС) - это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия водотока преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды создание сосредоточенного напора, а также энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободно поточных (бесплотинных) ГЭС.

Основное энергетическое оборудование размещают в здании ГЭС: в машинном зале - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления - пульт оператора-диспетчера или автооператор. Повышающие трансформаторы, как правило, располагаются у продольной стены здания ГЭС на открытом воздухе, распределительные устройства высшего напряжения - на специальных открытых площадках. По напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 80 до 25 м) и низконапорные (до 25 м). На высоконапорных ГЭС устанавливает ковшовые и радиальноосевые турбины с металлическими спиральными камерами; на средненапорных - поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины с железобетонными и металлическими спиральными камерами; на низконапорных - поворотнолопастные турбины в бетонных и железобетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах.

Существуют основные схемы ГЭС : плотинная (с искусственным подпором уровня реки за счет плотины) и деривационная (с отводом воды из русла реки по специальному выводу к месту с большой разностью уровней). В зависимости от особенностей выполнения гидротехнических сооружений различают русловые ГЭС (здание станции входит в состав водонапорных сооружений), приплотинные ГЭС (здание станции располагается за плотиной), деривационные ГЭС. Широкое распространение получили совмещенные ГЭС, у которых здание станции одновременно выполняет функцию водосборного сооружения. Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие и приливные электростанции. Отдельные ГЭС или каскады ГЭС, как правило, работают в энергосистеме совместно с конденсационными электростанциями, теплоэлектроцентралями, атомными электростанциями, газотурбинными электростанциями. В зависимости от характера участия в покрытии графика нагрузки ГЭС могут быть базисными, полупиковыми и пиковыми.

 Наиболее крупные гидроэлектростанции  в России: Волжская ГЭС им. В. И. Ленина мощностью 2400 МВт, Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС - 2650 МВт, Братская ГЭС (на реке Ангара) - 4500 МВт, Красноярская ГЭС (на реке Енисей) - 6000 МВт, Саяно-Щушенская ГЭС (на реке Енисей) - 6400 МВт. На 46, 47, 49 показаны схемы некоторых типов гидроэлектростанций.

Типы ГЭС:

• Плотинные
• Бесплотинные
• Малые
• Гидроаккумулирующие
• Приливные
• На океанских течениях
• Волновые
• Осмотические

Особенности ГЭС

• Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций
• Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии
• Возобновляемый источник энергии
• Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций
• Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое
• Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей
• Водохранилища часто занимают значительные территории
• Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

Преимущества

• использование возобновляемой энергии.
• очень дешевая электроэнергия.
• работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
• быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки

• затопление пахотных земель
• строительство ведётся там, где есть большие запасы энергии воды
• на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов
• сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелётных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

Малые гидроэлектростанции (МГЭС)

1. Классификация, типы, достоинства и недостатки мини ГЭС

В последнее время, из-за роста тарифов на электроэнергию, все более актуальными становятся возобновляемые источники практически бесплатной энергии.

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) - гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и основано на гидроэнергетических установках мощностью от 1 до 3000 кВт. Общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве основной характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность.

Установки для малой гидроэнергетики классифицируют по мощности на:

• оборудование для мини гидроэлектростанции мощностью до 100 кВт;
• оборудование для микро гидроэлектростанций мощностью до 1000 кВт.

Из известной классической триады: солнечные батареи, ветрогенераторы, гидрогенераторы (ГЭС), последние наиболее сложные. Они, во-первых, работают в агрессивных условиях, а во-вторых, имеют максимальную наработку за равный промежуток времени.

Наиболее просто делать бесплотинные ГЭС, т.к. сооружение плотины достаточно сложное и дорогое дело и часто требует согласования с местными властями или, по крайней мере, с соседями. Бесплотинные мини ГЭС называют проточными. Существует четыре основных варианта таких устройств.

Типы мини ГЭС

• Водяное колесо - это колесо с лопастями, установленное перпендикулярно поверхности воды. Колесо погружено в поток меньше чем наполовину. Вода давит на лопасти и вращает колесо. Существуют также колеса-турбины со специальными лопатками, оптимизированными под струю жидкости. Но это достаточно сложные конструкции скорее заводского, чем самодельного изготовления.
• Гирляндная мини-ГЭС - представляет собой трос, с жестко закрепленными на нем роторами. Трос перекинут с одного берега реки на другой. Роторы как бусы нанизаны на трос и полностью погружены в воду. Поток воды вращает роторы, роторы вращают трос. Один конец троса соединен с подшипником, второй с валом генератора.
• Ротор Дарье - это вертикальный ротор, который вращается за счет разности давлений на его лопастях. Разница давлений создается за счет обтекания жидкостью сложных поверхностей. Эффект подобен подъемной силе судов на подводных крыльях или подъемной силе крыла самолета.
• Пропеллер - это подводный «ветряк» с вертикальным ротором. В отличие от воздушного, подводный пропеллер имеет лопасти минимальной ширины. Для воды достаточно ширины лопасти всего в 2 см. При такой ширине будет минимальное сопротивление и максимальная скорость вращения. Такая ширина лопастей выбиралась для скорости потока 0.8-2 метра в секунду. При больших скоростях, возможно, оптимальны другие размеры.