Глава 13. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Плюсы и минусы нетрадиционных источников энергии

 

Энерговооруженность общества – основа его научно-технического процесса, база развития производительных сил. Человечеству в последнее время постоянно не хватает энергии. Предприятия топливно-энергетического комплекса являются источником более 48 % загрязняющих веществ, поступающих в биосферу, в результате хозяйственной деятельности во всех отраслях экономики. Всем известно, что запасы нефти, угля, газа не бесконечны.

В настоящее время широко ведутся работы по применению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии:

– солнечная энергия;

– энергия ветра;

– биологическое топливо;

– энергия морских волн;

– гетеротермальная энергия;

– энергия приливов и др.

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным свойствам относятся:

– повсеместная распространенность большинства их видов;

– экологическая чистота;

– эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержит топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества:

– малая плотность потока (удельная мощность);

– изменчивость во времени суток большинства нетрадиционных и возобновляемых источников энергии;

– большие площади энергоустановок (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т. п.);

– большая материалоемкость устройств;

– увеличение удельных капиталовложений, правда, они быстро окупаются.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии – ветер. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Мировыми лидерами по применению энергии ветра является США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа (Рис. 13.1). Например, в Дании 13 % электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Это гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

 

Рис. 13.1. Ветроустановки – источники электроэнергии.

 Значительным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. От ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

Принцип действия всех ветродвигателей одни: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент черезсистем передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию водяному насосу. Ветродвигатели бывают двух групп:

– с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогоналые);

– с горизонтальной осью вращения (крыльчатые).

Традиционная компоновка ветряков с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей.

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду не земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желаемую прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах республики, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии.

Жуковский Н. Е. разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка.

Трудности в использовании ветроэнергетической установки является:

– непостоянство скорости ветра;

– в период безветрия энергия не вырабатывается;

– для исключения перерыв в электроснабжении т. е. ветроэнергетические установки, должны иметь аккумуляторы энергии;

– крупномасштабное применение установки может вызвать значительные климатические изменения, испортить ландшафт;

– ветроэнергетические установки создают шум и электромагнитные помехи;

– срок службы таких генераторов около 20 лет;

– стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет меньше, чем теплоэлектростанции на жидком топливе.

Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт хорошо использовать:

– для автономного энергоснабжения жилых помещений, ферм и других потребностей могут применяться в странах с высоким жизненным уровнем;

– в сельском хозяйстве для работы водяных насосов мощностью до 10 кВт.

Территория Беларуси находится в умеренной ветровой зоне (4–5 м/сек) и соответствует нижнему пределу устойчивости ветроэнергетических установок.

Современные способы применения энергии ветра в механических целях:

– яхты гоночные;

– суда для перевозки грузов с автоматизированным управлением парусами;

– ветряные мельницы;

– фермерские хозяйства;

– перекачка воды.

Солнечная энергия

Проблема утилизации экологически чистой и притом дармовой солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен. Однако успехи в этом направлении позволили недавно начать формировать реальный, развивающийся рынок солнечной энергетики.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относится к 80-м годам ХХ столетия. Это в США в 1989 году введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт, а в 1994 году введено еще 480 МВт электрической энергии в Калифорнии.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на землю практически неисчерпаемый источник. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия. Использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшнее потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % – полностью покрыть на перспективу. Однако эти огромные потенциальные ресурсы вряд ли удастся реализовать из-за низкой интенсивности солнечного излучения.

Более широкое распространение использования солнечной энергии возможно в таких странах, как Австралия, Израиль, США, Япония. Использование солнечной энергии возможно в двух направлениях:

– преобразование солнечной энергии в тепловую энергию и использование в нагревательных приборах;

– второе направление – системы прямого и непрямого преобразования в электрическую энергию.

Солнечные нагреватели системы могут выполнять следующие функции:

– подогрев воды, воздуха для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий;

– сушку зерновых (рожь, пшеница, рис, ячмень) и других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов;

– опреснение воды в солнечных дистилляторах, приготовление пищи и др.

Солнечная энергия используется в основном для производства низко-потенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобразующим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство составляет не менее 2 млн м2 в год, а выработка низко-потенциального тепла за счет солнечной энергии достигает 5 х 106 Гкал.

*Солнечные водоподогреватели. Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитные излучения, которая преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул, т. е. в тепловую энергию.

* Подогреватели воздуха. Подогревание воздуха осуществляется с помощью воздушных нагревателей. Как правило, подогретый воздух используется для просушивания зерновых, т. к. значительная часть урожая в мире теряется в результате поражения плесневым грибком. Строятся спецздания для использования солнечного тепла.

*Пассивные и активные солнечные системы спецзданий: Нагрев черной стенки и здания с накопительной стенкой.

*Солнечные электростанции. В системах непрямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую (например, пар превращается в электрическую энергию). Можно создать гелиотермические электростанции большой мощности.

Например, в Южной Калифорнии, в Крыму мощность солнечной электростанции 90 МВт с солнечным полем площадью 450 000 м2.

*Фотоэлектрические преобразователи.

Прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлементов в которых используется явление фотоэффекта (Рис. 13.2).

 

Рис. 13.2. Фотоэлектрические преобразователи

 

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия, или внешний фотоэффект); изменение электрической проводимости (фотопроводимость). При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п) между ними устанавливается разность потенциалов (фото ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов, солнечных модулей и солнечных батарей).

Для получения фотоэффекта наиболее эффективны кремневые фотоэлементы. Их КПД не более 15 %, при этом они весьма дорогие.

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую находит широкое применение, например:

– уличное освещение, зарядные устройства, фотоаппараты, калькуляторы, часы и другие потребительские товары;

– электромобили, особенно в Швейцарии и Австрии; пробег – сотни км;

– автономные потребители (0,01–10 кВт): насосы, холодильники, вентиляторы, мобильные сельскохозяйственные установки, энергообеспе-чение домов в загородной зоне, системы телекоммуникации и сигнализации;

– солнечные дома (1–20 кВт) на крышах, объединенные с энергосистемой;

– центральные солнечные станции (50–5000 кВт), снабжающие энергией поселки и небольшие города;

– солнечные электростанции на искусственном спутнике.

 

Термальная энергия земли

Земля состоит из коры, мантии, наружного жидкого ядра и твердого ядра. В ядре Земли максимальная температура достигает 4000 оС. Земля непрерывно отдает теплоту, которая восполняется за счет распада семейства урана, тория и других радиоактивных элементов. Выход теплоты происходит за счет:

– теплопроводности твердых пород суши и океанского дна;

– потоками раскаленной магмы при извержении вулканов;

– потоками воды горячих ключей и гейзеров.

Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран: Австралия, Исландия, Италия, Новая Зеландия. Маленькая европейская страна Исландия и ее столица Рейкъявик почти полностью обогреваются теплотой подземных вод. В США, Италии и Новой Зеландии работают геотермальные электростанции. Теплота из недр земли на этих станциях поступает с паром через пробуренные скважины или естественные трещины.

По истечении времени, конечно, давление и температура в скважине падает, поверхность земли вокруг скважины на площади до 10 км2 оседает, а производительность скважины падает. Предотвратить этот процесс возможно закачивать воду под высоким давлением. По предварительным исследованиям на территории Беларуси наиболее благоприятные условия для термальных вод имеются в Припятской впадины. Температура воды в устье скважины составляет 35–500 оС и глубина залегания их 2000–3000 м, при этом, высокая минерализация 33–45 г/л и сравнительно низкий дебит скважин – 100–150 м3/сутки. Поэтому использование термальных вод в настоящие время находится на стадии изучения и возможного применения их в качестве источника энергии.

 

Энергия биомассы

В результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества и аккумулируется химическая энергия. Животные существуют за счет прямого или косвенного получения энергии и вещества от растений. В результате фотосинтеза происходит естественное преобразование солнечной энергии. Вещества, из которых состоит растительный и животный мир называется биомассой. Посредством химических и биохимических процессов, биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан жидкий метанол и др.

Энергия биомассы широко используется во всех странах как в промышленности, так и сельском хозяйстве, например:

– за счет отходов сахарного тростника до 40 % потребностей покрывается в топливе;

– дрова, навоз и ботва растений применяется примерно 50 % населения планеты для обогрева жилища и приготовления пищи.

Существуют различные способы переработки биомассы:

Таблица 13.1