Транспортировка газа

С технической точки зрения аналогична перекачке нефти по трубопроводам. В мировых масштабах 60% газа передается по газопроводам. 40% транспортируется в сжиженном состоянии по газопроводам на короткие расстояния или с помощью танкеров, оборудованных рефрижераторами.

Технические сложности связаны с необходимостью предварительной очистки газа от твердых и жидких примесей и обеспечения на компрессорных станциях высокого давления 50-100 атмосфер. Связан с обнаружением утечек газа на магистрали, а также создания труб большого диаметра, высокой прочности и герметичности, способной работать при 50-60°С окружающей среды и в районах вечной мерзлоты трудность прокладки.

Преимущества перекачки газа в сжиженном состоянии заключается в значительном увеличении плотности потока, а, следовательно, в росте пропускной способности магистрали в 4-5 раз. Однако, для сжижения газа требуются рефрижераторные установки, что приводит в росту стоимости передачи энергоносителя. Аналогичная проблема возникает в случае использования специальных танкеров. Несмотря на это, количество транспорта газа в сжиженном состоянии неуклонно повышается.

Транспорт угля.

Осуществляется в основном по железной дороге. Стоимость перевозки определяется техническим оснащением ж/д, грузоподъемностью и механизированностью вагонов. Перевозка угля, содержащего влагу, оказывается не эффективной и чаще всего его сжигают в месте добычи на ТЭС с последующей передачей электрической энергии по ЛЭП. Транспортировку угля на большие расстояния производят по пульпопроводам. Пульпа – смесь мелких частичек угля с водой. Эффективность передачи по пульпопроводам зависит от диаметра и прочности труб.

Передача тепловой энергии.

Передача тепловой энергии в виде воды и пара эффективно осуществляется на небольшие расстояния, т. к. происходят потери тепловой энергии через стенки труб. Причем, чем больше разность температур, тем эффективность передачи меньше. В качестве источников тепла в крупных городах выступает ТЭЦ и районная котельная. Тепло передается по тепловым путям: магистральным трубопроводом диаметром до 1200-1400 мм при мощности 800-1000 Гкалч, местным тепловым сетям диаметром 300 мм.

ТЭЦ ТП

Магистральный трубопровод

ТП ДОМ

Местный трубопровод

ТП – тепловой пункт

Независимый теплообменник.

Г В ГВ – горячая вода

ХВ – холодная вода

СП – сетевой подогреватель

ПМ – подающая магистраль

ПМ ОМ – обратная магистраль

СП

ОМ

ХВ

Передача электроэнергии начала развиваться с 80-х годов 19 в. Развитие передачи электроэнергии шло по пути увеличения мощности и расстояния передач, что потребовало увеличения напряжения ЛЭП., составляющая на сегодня 1200кВ и рассматриваются проекты 1800-2500 кВ.

В ряде случаев сооружение воздушных ЛЭП невозможно по экономическим, архитектурным причинам. Поэтому в городе проводят кабели под землей. При этом пропускная способность при одном и том же сечении жил значительно меньше. Нагрузочная способность кабельной линии в общем случае меньше, чем воздушной. Встает задача увеличения пропускной способности кабелей, для чего:

1. используется принудительное охлаждение водой или маслом(кабельные линии с форсированным охлаждением)

2. применение в качестве изоляции сжатого газа(газоизолированный кабель)

3. применение сверхчистых и сверхпроводимых материалов и их охлаждение до низких температур (креогенные линии)

Без проводная передача на Землю больших количеств энергии из космического пространства от источника электромагнитного излучения сверхвысокой частоты 2000-3000 МГц, рассматривается как одна из идей, далекой от технической реализации. Препятствием является высокая стоимость и достаточно низкая эффективность.

Проблемы преобразования энергии.

Проблемы преобразования энергии можно рассматривать в 2-х аспектах:

1. Преобразование одного вида в другой

2. Преобразование одного и того же вида с изменением его параметров

Любое из этих преобразований реализуется в технических (установках), спектр которых очень высок. Важно, что потребителю нужна энергия определенных параметров. Если говорить о тепловой энергии, ими являются температура и давление теплоносителя. Для механической энергии, развивается двигателем мощность и скорость движения.

Любое техническое устройство выполняет роль преобразователя, характеризующегося определенным КПД. Результирующий КПД всей установки является произведением отдельных звеньев, включая элементы по транспортировке.

Пг г

Пт _тэп ПиТ П

_{т г т1 т2}

_пг

Ясно, что, чем больше число трансформаторов, тем ниже результирующий КПД; поэтому ученые ведут разработки методов превращения одного вида в другой без промежуточных стадий.

Большинство таких разработок ориентировано на прямое получение электрической энергии из других видов, т. к. энергия – универсальный вид с позиций последующего преобразования.

Больших успехов в прямом преобразовании нет. У термо-, фото-, термоэмиссионных генераторов КПД в пределах 10-15%. Большие надежды возлагались на МГД-генераторы, принцип которых основан на получении электроэнергии за счет движения в магнитном поле нагретого ионизирующего газа при температуре 2000-3000°С и большой скорости. В сочетании с газотурбинной установкой, использующей остаточную энергию отработанного в МГД-генераторе газа. Результирующий КПД оценивался в 50-55%, в то время, как КПД традиционной ПТУ – не более 40%. Однако экспериментальные установки в США и СССР выявили ряд сложных технических проблем, которые не позволяют ориентироваться на широкое использование МГД-генераторов. Т.О. на сегодня не просматривается путей повышения эффективности установок, осуществляющих превращение одного вида энергии в другой.

Проблемы аккумулирования энергии.

Процессы получения, преобразования, транспорта и потребление неразрывны во времени. Существует проблема активирования “полезных видов” энергии. Целесообразность таких накопителей энергии обусловлена тем, что в течение суток, недели, месяца потребность в энергии изменяется в широких пределах (ночной минимум, утренний и вечерний максимум). В то же время дня большинство установок, вырабатывающих энергию, предпочтительнее режим работы с неизменной нагрузкой. Противоречия между потребителями и производителями может быть ликвидировано при включении в рассмотренную цепочку аккумуляторов, заряд которых может осуществляться в часы минимума, а разряд – в периоды максимума (пиковой потребности в энергии). Т. о. Создание накопителей является не самоцелью, а средством повышения эффективности энергоснабжения. Наиболее основанным является гидроаккумулирование электрических станций, начало сооружения которых относится к концу 19 в. Воздушно-компрессионный способ был запатентован в 1949 г. Однако, первая промышленная установка была построена лишь через 30 лет в ФРГ. В режиме накопления воздух с помощью компрессора нагнетается на газотурбинную установку. Тепловые накопители основаны на аккумулировании пара и горячей воды. Применяется в огромных масштабах в системах собственного теплоснабжения в сочетании с генерированием электрической энергии.

ТЭЦ БН

ПМ

СП ГВ ОМ ХВ

БН – блок-накопитель

ПМ – прямая магистраль

ОМ – обратная магистраль

СП – сетевой подогреватель

Ведутся исследования в области создания сверхпроводимых индуктивных накопителей (СПИН) на базе развития техники сверхпроводимых материалов и получения пониженных температур. Сооружение экспериментальных установок такого типа подтвердила возможность технической реализации промышленных накопителей такого типа. Однако на сегодняшний день из-за высоких цен на криогенную технологию, широкое применение СПИНов экономически невыгодно.

Эффективность использования энергоресурсов.

Энергообеспеченность зависит не только от эффективности их использования. Для разных источников энергии эффективность различна. Количественно она характеризуется коэффициентом эффективности использования энергии.

, где

Еп – количество энергии, превращенной в форму, в которой она используется;

Ер – количество потребляемой энергии 1-го источника

Если энергия превращается в механическую или электрическую, коэффициент эффективности носит название КПД. В процессе использования техники идет увеличение . В 1952 году в мире около 33,3%, в 1975 – 37%, в 2000 – 40;. Низкая эффективность обусловлена понижением тепловой экономичности многих технологических процессов в энергоемких отраслях промышленности и малым превращения тепловой энергии в механическую. На тепловых станциях, использующих органическое топливо, энергетическую эффективность определяют не только с помощью КПД, но и более наглядным показателем - удельным расходом услловного топлива на выработку единицы электроэнергии. Поскольку 1 кВтч = 3600 кДж, а 1 кг у.т. = 29300 кВт, то при полном отсутствии потерь на выработку 1 кВтч потребовалось бы 0,123 кг у.т. В реальных условиях из-за потерь расход топлива на ТЭС составляет 315-350 гут/кВтч.

Экологический аспект развития энергетики.

Получение полезных видов энергии не проходит бесследно для природы и человека. Для энергетического производства характерны 6 видов воздействия на окружающую среду:

1. тепловое, связанное с выделением тепла в энергетических процессах

2. механическая, связанная с выбросом твердых частиц в воздух и удалением продуктов сгорания (золы)

3. химическое, связанное с накоплением углекислого газа в атмосфере и расходом кислорода в процессе сжигания

4. радиоактивное, при аварии на атомных станциях, транспортировки и захоронением ядерных отходов

5. электромагнитное, связанное с использованием в энергетике установок большой мощности и больших токов

6. географическое, связанное с изъятием из землепользования больших территорий при сооружении энергетических объектов (ГЭС, АЭС).

В этом перечне теплового загрязнения окружающая среда не случайно оказалась на первом месте. При преобразовании энергии в окружающую среду попадает большое количество тепла; подсчитано, что если количество этой бросовой энергии (тепла) достигнет 5% от энергии Солнца, поступающего на Землю, то могут произойти необратимые процессы и изменение теплового баланса и климата на Земле, это приведет повышение температуры на 3,5°С. В результате могут возникнуть условия, при которых может возникнуть интенсивное таяние ледников в Антарктиде. Тепловые и атомные электростанции требуют для своей работы большого количества воды. В результате вода, проходя через теплообменники (конденсаторы), нагревается, а затем сбрасывается в водоем. При этом происходит тепловое загрязнение, отрицательно влияющее на флору и фауну. Любые установки, использующие процессы сжигания органического топлива, выбрасывают в атмосферу частицы серы, окиси азота с дымовыми газами, окись углерода, твердые частицы (SO₂, SO₃, NO_x, CO, CO₂). Ориентировочные оценки показывают, что в мире ежегодно выбрасывается в атмосферу около 200 млн. тонн двуокиси серы, 400 млн. тонн окиси углерода, 60 млн. тонн окиси азота и 90 млн. тонн золы. Отходами в процессе сжигания угля является зола, удаленная из топок на золоотвалы. Для борьбы с загрязнением атмосферного воздуха на таких предприятиях устанавливаются различные фильтры и золоуловители. В любом случае основная задача фильтров – уменьшить выбросы в атмосферу до предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов (ПДВ).

На долю промышленных установок приходится около 40% выбросов вредных веществ и 60% на долю автомобильного транспорта.

К числу отрицательных механических воздействий энергоустановок на организм человека относится вибрация, создаваемая вращающимися механизмами, электродвигателями, генераторами, а также аккустический шум, который создается выше указанными машинами, а также мощными трансформаторами и линиями электропередач. Как известно, атмосфера выполняет функции защитного покрова, предохраняющего Землю от чрезмерного остывания или нагревания. Наличие в атмосфере углекислого газа и водяных паров оказывает сильное влияние на тепловой баланс Земли. Содержание углекислого газа в атмосфере оценивается в 0,03%. За последнее столетие содержание СО₂ повысилось на 15%. По оценкам ученых, к 2020 году это увеличение составит 50%. Это связано со сжиганием органического топлива на автотранспорте, на электрических станциях и в промышленности. Увеличение СО₂ связано также с интенсивной вырубкой лесов и загрязнением нефтепродуктами океана. Последствия увеличения СО₂ в атмосфере приводят к парниковому эффекту, т. е. удержанию тепла у поверхности Земли. Количество кислорода, которое ежегодно исчезает в процессах горения по некоторым оценкам достигает более 10 млн. тонн. Сегодня это практически не оказывает влияния на изменение состава атмосферного воздуха, где доля кислорода чуть больше 20%.

К числу химических воздействий необходимо отнести и попадание в воду и почву нефтепродуктов. Тонна нефти покрывает поверхность воды пленкой площадью 12 км².

Последствия радиоактивного загрязнения больших территорий сказывается на человеке, животном и растительном мире столетиями (Чернобыль, 1986г., Херосима и Нагосаки, 1945 г.).

В США на 1985 г. было зарегистрировано 350 аварий при перевозке радиоактивных материалов. 198 из них закончились радиоактивным загрязнением окружающей среды. Существует большая проблема захоронения радиоактивных отходов, а так же элементов конструкции АЭС, демонтированных после окончания сроков эксплуатации 30-40 лет. Первоначальное предложение о захоронении радиоактивных отходов на дне морей были признаны неприемлемыми и современная практика использует для этих целей специальные подземные резервуары и хранилища. Однако их нельзя рассматривать как абсолютно надежные.

Электромагнитное влияние установок высокого напряжения на человека, животных и растительность, ограничивается до допустимых уровней путем защитных экранов и соответствующих расстояний. Т. о. с этим загрязнением можно успешно бороться.

Плохо обстоят дела с геофизическим воздействием. При сооружении гидро- электростанций, особенно на равнинной территории, затоплению подвергается большое количество земель. Большие площади занимают атомные и тепловые станции вместе с прудами-охладителями и топливными складами.

В США воздушные линии электропередач занимают площадь, равную площади Бельгии, Голландии и Дании вместе взятых.

Вырубка просек в лесных массивах наносит большой вред лесному хозяйству. С целью сокращения ширины трассы ЛЭП разрабатываются новые оригинальные конструкции опор, однако при этом увеличивается их высота. Достижение экологического равновесия является проблемой международного масштаба. Решение этих проблем требует от человека большого напряжения и огромных материальных затрат.

Социально-экономические аспекты.

Развитие общества неразрывно связано с уровнем развития промышленности, бытовыми условиями и развитием культуры. Все это зависит от развития энергетики, от уровня использования электроэнергии.

Для большинства развитых стран в 1950-70 гг. соотношение роста валового внутреннего продукта и выработки электрической энергии, определялось как 1:1.

ΔВВП ($)

ΔВВП

ΔЭ

1950 1960 1970 год

Однако удвоение ВВП в современных условиях отнюдь не означает удвоение национального дохода, поскольку удвоение добычи энергоресурсов обходится обществу все дороже и дороже, т. к. добыча единицы условного топлива требует больше затрат. Абсолютным выражением энергоемкость ВВП в развитых странах существенно различается.

По данным аналитиков США в 1990 г. энергоемкость выпускаемой продукции в СССР была на 25% больше, чем в США; на 80% больше, чем в ФРГ и в 2 раза больше, чем в Японии. Этим было показано, что в тех странах, где большая доза первичных энергоресурсов расходуется на производство электрической энергии, энергоемкость ВВП ниже по сравнению с теми странами, где на выработку электрической энергии шло меньшее количество топлива.

Тенденция преимущественного развития электрофикации промышленности и коммунально-бытовой сферы, является экономически оправданной задачей. Именно развитие энергетики, все более расширяющейся в масштабах, должно стать стратегией развития общества.

В энергетических программах развитых стран большое внимание уделяется энергосбережению. Так, например, в США до энергетического кризиса в 1973 г. За 17 предшедствующих лет потребление электрической энергии в США было удвоено. В то время, как в последующее десятилетие, оно сократилось на несколько процентов по сравнению с 1973 г. А ВВП за те же 10 лет увеличился на 25%. В результате энергоемкость ВВП снизилась на 1/3.

В современных условиях в России должна проводиться политика энергосбережения по следующим направлениям:

1. Технологическое энергосбережение, которое достигается путем постепенной модернизации и заменой устаревшего оборудования в промышленности

2. Переориентация структуры экономики на развитие малоэнергоемких обрабатывающих отраслей. В конце 1997 г. в России была применена целевая программа “Энергосбережение России на 1998-2005 гг”.

В области электроэнергетики в качестве приоритета определены следующие направления:

1. Использование преимуществ работы энергетического оборудования в составе единой энергетической системы (ЕЭС)

2. Техническое перевооружение: реконструкция и реорганизация электрических станций и электрических цепей.

3. Внедрение парогазовых электрических станций

4. Повышение эффективности централизованного теплоснабжения

5. Повышение эффективности использования действующего оборудования электрических станций и электрических сетей

6. Сокращение расхода электроэнергии на собственные нужды электрических станций, потерь в электрических и тепловых сетях

7. Оптимизация режимов производства и транспорта электрической энергии

8. Экономия органического топлива за счет развития гидроэнергетики, АЭС и нетрадиционных возобновляемых источников энергии

Политический аспект.

Обладание на сегодняшний день большими запасами энергоресурсов, является не только факторами экономического, но и политического могущества страны. Страны, импортирующие энергоносители, находятся под угрозой экономической блокады и стремится эту угрозу предотвратить.

Возможность прекращения поставок энергоресурсов превращается в мощный инструмент политического давления. Однако не только во внешней экономической сфере энергетика выступает в роли яблока раздора. Политика цен на энергоносители внутри страны влияет на процессы инфляции и стабилизации экономической ситуации. Изменение цен на энергоносители медленно сказывается на стоимости всех товаров.

Общая характеристика электроэнергетики России.

Электроэнергетика России включает свыше 700 электростанций общей установленной мощностью 205млн. кВт, из них мощность ТЭС и ТЭЦ составляет 139,7 млн ыВт; ТЭС – 44 млн. вКт; АЭС – 21,3 млн. кВт. В стране ежегодно производится 850-860 млрд. кВтч и свыше 600 млн. Гкалл тепла. Основой электроэнергетики России составляет единая энергетическая система (РАО ЕЭС). ЕЭС включает несколько сотен электрических станций общей мощностью 196,7 млн. кВт. Электростанции ЕЭС связаны высоковольтными ЛЭП общей протяженностью 2,5 млн. км. Свыше 30000 км из них напряжением 500, 750, 1150 кВ. Работа станций в единой системе (500 тепловых, 9 атомных и более 100 ГЭС) позволяет реализовать преимущество совместной работы, а именно:

1. Снижение суммарного максимума нагрузки, около 5 млн. кВт

2. Сокращение потребгости установленной и резервной мощности за счет рационализации их структуры

3. Возможность распределения нагрузки электрических станций с целбю сокращения расхода топлива и улучшения экологического состояния среды

4. Маневрирование топливно энергетическими ресурсами

5. Применение крупноблочного, высокоэффективного оборудования (котел, сепаратор, турбина)

6. Поддержание высокого уровня надежности и живучести энергообъектов.

Электроэнергетика сформировалась в результате упорного труда нескольких поколений, целенаправленной политики государств и эффективного исполнения финансов. Наиболее эффективно назвитие энергетики происходило в 60-80 гг. Были сооружены АЭС единичной мощностью по блоков 440, 1000 и 1500 МВт, построены крупные ТЭС.

Сначала энергетика России управлялась целиком как государственная централизованная с жесткими вертикальными связями. Всей энергетикой управляло министерство энергетики страны., путем издания приказов и распоряжений, обязательных для исполнения всеми предпринимателями, такая система называлась директивной системой управления. Такое регулирование на тот период при 100% государственной собственности было рационально, а экономические противоречия и финансовые перетоки решались государством.

Ценовое регулирование осуществлялось на основе прейскурантных цен на тепловую и электрическую энергию, установленных государственным комитетом по ценам Прейскурант цен является обязательным по всей территории страны. В этих условиях прямое установление цен государством было вполне оправданным, поскольку отсутствовали экономические противоречия между производителем и потребителем электрической энергии, т. к. имущество принадлежит государству.

Вместе с тем директивное управление ограничивало инициативу отдельных предприятий по улучшению своей экономической деятельности, поскольку его экономический эффект может быть перераспределен в пользу других предприятий.

В 91-92 гг. разрушилась старая система управления экономикой и ситуация резко ухудшилась из-за недостатка государственных средств. Были оставлены почти все крупнейшие стройки, были отпущены цены на уголь, нефть, газ. Все это в свою очередь привело к значительному росту цен на электроэнергию. В результате произошедших изменений устанавливание цен на электроэнергию из единого центра стало невозможным. Был создан механизм путем организации сотен акционерных обществ на базе энергетических предприятий путем создания (общероссийского) федерального рынка электрической энергии (мощности) (ФО РЭН).

Энергетика России в настоящее время имеет следующую схему управления (Рис.1)

П равительство РФ

М ин. гос. имущ России Мин. атомн. Эн.

РАО “ЕЭС России”

Независимые АО – Ленинградская АЭС

И ркутск энерго,

Т АТ энерго

Г ос. Концерн “Росэнергоатом”

ИДУ ЕЭС России Эл.ст.(35) Осню ЛЭП АО-энерго АЭС (8)

АО-эл.ст.(23) Эл. ст.-филиала Эл. ст., сданные в

РАО ЕЭС (7) аренду АО-энерго (5)

Законодательное и нормативно-правовое управление электроэнергетикой со стороны государства теперь осуществляется при помощи федеральных законов, указов президента, постановлений и распоряжений правительства. Ценовое регулирование - постановлениями и распоряжениями федеральной энергетической комиссией страны и региональными энергетическими комиссиями. АО-энерго также являются дочерними компаниями РАО ЕЭС и поэтому государство также управляет их деятельностью через контролируемую государством холдинговую компанию РАО “ЕЭС России”. АЭС были акционированы, т. е. стали отдельными хозяйственными объектами, но не приватизированы, они остались 100% собственностью государства. Они вошли в государственный концерн Росатом. С тем, чтобы эффективнее управлять ценообразованием с учетом местных особенностей регулирования цен (тарифов) на электрическую энергию на территориях краев, областей, республик управление было передано на уровень этих субъектов в комиссии РЭК.

РАО “ЕЭС России”.

Указом президента РФ от 15 августа 1992 года было организовано РАО ЕЭС – это производственная компания, оформленная в виде акционерного общества, обеспечивающая развитие и функционирование единой энергетической системы России (производство и распределение). В Уставной капитал РАО ЕЭС были переданы самая крупная ТЭС – единичной мощностью от 1000 МВт и ГЭС – от 300 МВт. Суммарной мощностью 95000 МВт, а также система, образующая ЛЭП, центральная и объединенные диспетчерские управления (ЦДУ ОДУ). Менее крупные энергетические предприятия были включены в основной капитал АО-энерго. Система, образующая ЛЭП от 220 кВ и выше были включены в уставной капитал РАО ЕЭС.

В РАО ЕЭС входит 35 электростанций общей мощностью около 70 млн. кВт; 7 из которых передано в аренду АО-энерго; 5 являются филиалами и 23 эл.ст. работают как дочернее АО.

РАО ЕЭС владеет более 42 тыс. км межсистемных ЛЭП напряжением 330 кВ и выше. Кроме того уставной капитал РАО ЕЭС включает 49% акций АО-энерго. Контрольный пакет акций РАО ЕЭС России остался за государством и составляет 52,24%.

РАО ЕЭС контролирует основную долю производства электрической энергии в стране. В 51-м АО-энерго РАО ЕЭС владеет более 50% голосующих акций.

В 19-ти АО-энерго РАО ЕЭС принадлежит от 20 до 50% голосующих акций, т. о. через голосующие акции РАО ЕЭС оказывает влияние на 72 региональные АО-энерго. Владение контрольным пакетом акций региональных компаний, ЦДУ, системообразующих ЛЭП позволяет РАО ЕЭС осуществлять контроль в 85% эл. энергии.

Структура уставного капитала РАО “ЕЭС России”.

ТЭС Межсист. ЛЭП ГЭС

Р_уст > 1000 МВт и подстанций Р>300 МВт

100% 100% 100%

НИИ и проектные Уставной капитал АО строит.монтажн

1 00% РАО ЕЭС компаний и машино-

строение

25.5%

ОДУ 100%

ИДУ ЕЭС АО-энерго АО-энерго АО-энерго

1 00% >50% акций 20-50% <20%

Во время создания РАО ЕЭС в 1992 г. все его акции принадлежали государству. К началу 1999 г. доля государственного участия сократилась до 52,24%; остальные были переданы трудовым коллективам, энергосистемам и проданы частным инвесторам. На конец 1998 г. и начало 1999 г. структура капитала РАО ЕЭС имеет следующий вид:

52,24% - государство

33,69% - доля иностранных инвесторов

14,07% - Доля физических и юридических лиц

Региональные АО энергетики и электрификации обслуживают непосредственно всех конечных потребителей тепловой и электрической энергии, заключая с ними договоры электроснабжения. За каждым АО-энерго закреплена определенная территория, совпадающая с территориальным делением. АО-энерго владеют электрическими станциями, которые не вошли в РАО ЕЭС. Все ТЭЦ также входят в АО-энерго. Распределение сетей от 200 кВ и ниже также входят в АО-энерго.

По установленной мощности электрических станций Россия занимает 1-е место в Европе и 3-е в мире, уступая США и Японии, а по выработке электрической энергии занимает 4-е место в мире после США, Китая, Японии.

Показат.	Значение по годам
	1990	1994	1996	1997
Руст, ГВт	213	204	205	205
Эвыраб, млрд. кВт	1082	859	831	818
То же в %	100	79,4	76,8	75,6
Эуд, кВтч/чел	7310	5927	5650	5565
%	100	88,4	77,3	76,1

Энергетический потенциал солнечной энергии и физические основы его использования.

Общая характеристика солнечной радиации.

Солнце имеет диаметр равный 1392000 км. Его масса 2·10³⁰ кг, что в333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 > объема Земли. Химический состав: 81,76% - водород, 18%-гелий, 0.1% - азот. Средняя плотность вещества Солнца – 1400 кг/м³. А в центре плотность 76000 кг/м³. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство, в виде электромагнитных волн различной длины.

В центре Солнца давление достигает около 204 млрд. атмосфер и температура – 8-40 млн. К. На поверхности Солнца температура равна 5900 К. Солнечная радиация – возобновляемый неисчерпаемый источник энергии. 5% - коротковолновые излучения в диапазоне длин волн от 0,3-2,4 микрон. Атмосфера Земли отражает 35-40% всей солнечной энергии, достигающей Земли. Плотность потока солнечной энергии, достигающей верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно, называется солнечной постоянной.

I ₀ = 1353 Вт/м²

Среднее количество энергии, поступающее за 1ч на 1м² равно Е_ср=4781 кДж/ч м²

На поверхность суши приходится 1/5 часть всей энергии, поступающей на Землю. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5-2% всей падающей на Землю солнечной энергии, что эквивалентно 2·10¹² тонн условного топлива. Распределение энергии по поверхности Земли крайне неравномерно и изменяется от 3 тыс. до 8 тыс. МДж на м² в год. Максимальная интенсивность солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм. При прохождении солнечных лучей через атмосферу, часть излучения рассеивается и поглощается молекулами озона, воздуха и водяного пара, а так же частицами пыли, что приводит к ослаблению солнечного излучения и появлению диффузного излучения. Часть энергии поглощенной и рассеянной возвращается обратно в космос, а основной поток достигает поверхности Земли. Доля рассеянного излучения в общем потоке солнечной энергии, достигающей Земли, зависит от географического и климатического факторов и изменяется в течение года. Для Москвы – 04-0,85, в Ташкенте – 0,19-,05.

Потенциал солнечной энергии можно охарактеризовать среднегодовым значением прихода солнечной радиации на 1 м² горизонтальной поверхности:

РФ – 860-2000 кВтч/м²

Зап. Европа – 950-1050 кВтч/м²

Венгрия – 1200 кВтч/м²

Куба – 1900 кВтч/м²

Число часов солнечного сияния:

Туркмения – 3100

Узбекистан-Ташкент – 2850

Сев. Кавказ – 2500

Украина – 2000

В России наиболее благоприятно строительство в нижнем Поволжье и на Сев. Кавказе.

В центральной части России за летние полгода, когда теплота потребления минимальна, в этот период поступает 2/3 энергии.

Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, используется в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системе отопления зданий, а так же в технических процессах. Они используются для получения горячей воды, для опреснения морской или минеральной воды, для сушки материалов, в сельском хозяйстве и т. д.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей термоэлектрического и термоэмиссионного процессов. А так же прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее распространение получили фотоэлектрические преобразователи и тепловые двигатели.

Солнечная энергия преобразовывается в электрическую на солнечных электрических станциях (СЭС). Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты, оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последующего преобразования в тепловую и электрическую. Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника солнечной сконцентрированной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или металлического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения СЭС лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны – районы, в которых годовое количество осадков не превышает 250 мм в год.

При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равную 10%, потребуется 1% территории пустынь.

В настоящее время строятся солнечные электрические станции 2-х типов:

1. СЭС башенного типа

2. СЭС распределенного (модульного) типа.

Идеи по строительству СЭС башенного типа были высказаны более 350 лет

назад. Однако 1-я СЭС была построена в 1965 г., а в 80-х гг. было построено ряд ЭС в США и в Зап. Европе. В 1985 г. в Крыму было введена СЭС мощностью 5 МВт, в которой 1600 плоских зеркал, площадью 25,5 м², каждая концентрирует солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 80 м, этот цилиндр является парогенератором. Строительство этой СЭС обошлось СССР в 30 млн. рублей.

2

1 3

1 – гелиостаты

2 – центральный приемник излучения

3 – оборудование станции

Удельная мощность установленной мощности составляет 6000 руб. на кВт.

В США израильской фирмой “ЛУЗ” в 1988 г. были построены 7 СЭС мощностью 30 МВт и стоимостью 104 млн. долларов. В 1992 г. введена в эксплуатацию СЭС мощностью 350 МВт. Для покрытия потребностей электрической энергии всей Зап. Европы достаточно построить в Испании СЭС, занимающую площадь 1,8% всей территории Испании. При этом потребность в атомных станциях может быть исключена.

В СЭС модульного типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболоцилиндрический солнечный концентратор и приемник, используемый для нагрева жидкости. Жидкость или рабочее тело используется затем в тепловом двигателе. Самая мощная СЭС такого типа построена в США, ее мощность – 12,5 МВт. При небольшой мощности более экономичны СЭС модульного типа. Башенная СЭС мощностью до 10 МВт не рентабельна. Их оптимальная мощность должна составлять 100 МВт, а высота башни – до 250 м.

В СЭС модульного типа концентрация энергии составляет 100 ед., а вСЭС модульного типа степень концентрации равна нескольким тысячам.

В СЭС башенного типа наиболее сложным устройством является система слежения за Солнцем, требуется вращение зеркал в 2- осях.

Управление осуществляется с помощью ЭВМ.

В качестве рабочего тела на солнечной электрической станции используется вода, превращаемая с помощью солнечной энергии в пар с температурой до 550°С. Используется также воздух и другие газы с температурой до 100°С.

В ряде стран разрабатывается СЭС с использованием “солнечных прудов” . Такая СЭС значительно дешевле других типов, т. к. не требует зеркальных отражателей. Однако их можно сооружать в районах с жарким климатом. Стоимость 1 кВтч электроэнергии на такой СЭС $0,1, на СЭС башенного типа - $0,45. Главный недостаток СЭС башенного типа – это их высокая стоимость и большая занимаемая площадь.

В будущем СЭС займут площадь 13 млн. км² на суше и 18 млн. на море.

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в электрический ток посредством солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких пленок кремния и др. полупроводниковых материалов, которые называются фотоэлектрическими преобразователями или фотоэлементами. Преимущество фотоэлектрических преобразователей обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их действия практически неограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной энергии. Модульный тип конструкции позволяет создать установки практически любой мощности.

Недостатком фотоэлектрических преобразователей является их высокая стоимость и низкий КПД 10-12%. Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны и их энергия преобразуется в электрическую.

3 1 – кремний п-типа 2 – кремний н-типа 3 – пленка из диоксида 2 кремния (стекло) 4 - электроды 1

4

Стоимость кремниевых элементов снизилась 1970 – 85 гг. с 60 до 8 тыс. долларов за кВт установленной мощности. Наибольших успехов в этой области достигли США, Германия, Франция и Япония. Ежегодный прирост производства солнечных батарей в мире составляет 35% и в 1990 г. общая мощность достигла 500 МВт. В настоящее время 25% производства приходится на Японию. Созданы новые солнечные элементы с применением арсенида галия и алюминия. В США намечено строительство фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт, для чего потребуется участок площадью 110 га.

Ожидается, что КПД станции составит 23%. Для обеспечения конкурентоспособности фотоэлектрических станций, необходимо, чтобы стоимость единицы установленной мощности снизилась в 5-10 раз и составила бы 300 – 500 долларов за кВт.

Есть основания полагать, что для достижения этой цели потребуется немного времени, т. к. ведутся разработки новых технологий, так фирмой “BOING” в 1989 г. создан двухслойный солнечный элемент с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую с коэффициентом 37%. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время, как в новом элементе в первом прозрачном слое поглощается и преобразуется в электричество во втором слое. В итоге КПД составляет 28+9%=37%. А это вполне сопоставимо с КПД тепловых и атомныхЭС. Эти элементы в настоящее время применяются в космосе и в ближайшее время их стоимость должна снизиться до величин, сопоставляемых со стоимостью установленной мощности на ТЭС. На земле солнечные батареи используются в основном для потребителей мощностью до 1 кВт, питания разно-навигационной аппаратуры, привода экспериментальных автомобилей и самолетов. По мере совершенствования батарей планируется их использование в жилых домах автономного энергообеспечения, теплового снабжения и освещения. По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЭС должна достигнуть 130 млн. кВт, в том числе с солнечными батареями 10 млн. кВт. Себестоимость 1 кВтч на солнечных батареях в 1987 г. составляла $0,8, в 1991 г. - $0,3, что не намного больше, чем на ТЭС и АЭС.

§ Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты .

Типы коллекторов.

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит преобразование солнечной энергии в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-нибудь другого теплоносителя.

Различают 2 типа коллекторов:

1. Плоские

2. Фокусирующие

В плоских поглощается без концентрации, а в фокусирующих – с концентрацией, т. е. с повышением плотности потока солнечной радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных установках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе горячего ящика, который легко себе представить, если вспомнить, как нагревается на солнце пространство внутри автомобиля. Чтобы изготовить коллектор, необходима лучепоглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с трубами для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность лучепоглощающей поверхности и труб или каналов образуют единый конструктивный элемент – абсорбер. Для лучшего поглощения СЭ верхняя часть абсорбера окрашивается в черный цвет. Для уменьшения потерь тепла от абсорбера в окружающую среду делается теплоизоляция, закрывающая нижнюю часть абсорбера, а так же прозрачная для света изоляция, размещенная над абсорбером. Все названные элементы помещаются в корпус.

1 - остекление 1 2 – лучепоглощающая поверхность с трубками 3 – корпус коллектора 2 4 – теплоизоляция 3 4

Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в коллекторе – не более 100°С и зависит от климатических данных, характеристик коллектора и условий его эксплуатации. Для низких рабочих температур абсорбер можно изготавливать из пластмассы или резины. Прозрачная изоляция представляет собой 1 или 2 слоя из стекла или полимерной пленки. В случае низких температур теплоносителя менее 30°С коллектор может не иметь прозрачной изоляции. Корпус коллектора из оцинкованного пенаполиуретана, пенапласта.

Несколько конструкций:

а ) труба с оребрением

б ) соединение плоского и гафрированного листов железа

в ) штампованный абсорбер

г ) лист с приваренными прямоугольными каналами

В КСЭ для нагрева воздуха нагреваемая среда (воздух) движется в пространстве между прозрачной изоляцией и лучевоспроизводящей поверхностью.

1 а) 2 4 3

1 б) 2 4 3

1 в) 4 2 3

1 г) 2

4 3

1 д) 4

1 – остекление

2 – абсорбер

3 – теплоизоляция

4 – поток воздуха

а) – движение воздуха под плоским абсорбером

б) - под гафрированным абсорбером

в) – через ряд стеклянных пластин, наполовину прозрачных, наполовину зачерненных

г) – над оребренным абсорбером

д) – через абсорбер из пористой набивки

В плоском КСЭ площадь окна, через которое солнечные лучи попадают внутрь коллектора, равна площади лучепоглощающей поверхности и поэтому интенсивность потока солнечной радиации не увеличивается. При использовании концентраторов, т. е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока.

а ) б)

2

2 1 1

в ) 2 г) 1 1 2 О

1 – отражатель

2 – приемник

а) – параболоцилиндрический концентратор

б) – фоклин

в) – параболоидный концентратор

г) – концентратор с линзой Френеля

Фокусирующие коллекторы применяются там, где требуются высокие температуры. Кроме плоских и фокусирующих применяются стеклянные, трубчатые, вакуумулированные коллекторы, солнечные пруды, представляющие собой комбинацию КСЭ и аккумулирование теплоты.

Тип солнечного коллектора	Рабочая температура, °С	КПД солнечного коллектора, %	Относительная площадь, %	Слежение за Солнцем
Плоский	30-100	30-50	100	Не требуется
Солнечный пруд	400-100	15-25	130	Не требуется
Параболоцилиндрический	500	50-70	30-50	Вращение вокруг одной оси
Центральный приемник с полем гелиостатов	1000	60-75	20-40	Вращение вокруг двух осей
Вакуумированный стеклянный трубчатый	90-300	40-60	50-75	Не требуется

Эффективность солнечных коллекторов и методы ее повышения.

Показателем эффективности КСЭ является его КПД, равный отношению тепло- производительности коллектора к количеству солнечной энергии, поступившей на СК:

,где Ек – количество солнечной энергии, поступившей на единицу площади коллектора

А – площадь абсорбера

Величину Qк можно определить по расходу теплоносителя:

, где m – расход теплоносителя

с – удельная теплоемкость

Т₁, Т₂ – температура теплоносителя на входе и на выходе из коллектора

КПД коллектора можно определить через эффективный оптический КПД и коэффициент теплопотерь:

( )

где Т₁ – температура на входе

Т₂ - температура окружающей среды

Iк – интенсивность потока солнечной энергии, поступающей на поверхность

[Вт/м²]

( ) дает мгновенное значение КПД, которое может быть усреднено для любой величины. Отсюда следует, что среднее значение КПД солнечного коллектора будет значительно ниже, чем максимальное значение в полдень. Возникает вопрос: отчего же в большей степени зависит значение КПД? Наиболее сильное влияние на КПД КСЭ оказывают следующие факторы:

1. интенсивность СЭ и температура наружного воздуха

2. конструктивные характеристики коллектора и свойства лучепоглощающей поверхности, а именно: материал, толщина листа, коэффициент теплопроводности изоляции, шаг труб, число слоев остекления

3. рабочие параметры КСЭ: расход теплоносителя и его температура на входе в СК

При сравнении различных материалов, используемых для изготовления коллекторов и абсорбера, а именно: магния, алюминия, стали и пластмассы установлено, что, с увеличением толщины листа и его теплопроводности, значение КПД коллектора повышается.

- толщина листа

- теплопроводность

Так, при толщине лучепоглощающего слоя 1 мм из меди, алюминия, стали, пластмассы, их КПД составляет соответственно:

=1 мм

= 390; 205; 45; 0,6; Вт/м °С

= 52 50 48 22 %

Mg Al Cт пласт

При возрастании интенсивности излучения от 300 до 1000 Вт/м² КПД коллектора повышается с 39 до 58%, а при увеличении Тв с 10 до 30°С, КПД повышается с 41 до 55%. Очевидно, что в холодное время КПД коллектора весьма низок.

Большое влияние на КПД оказывает температура теплоносителя на входе в коллектор. Чем ниже t₁, тем ниже тепловые потери солнечного коллектора и выше КПД.

При повышении m КПД возрастает до определенного предела, а затем остается постоянным, т. е. существует оптимальный расход теплоносителя. КПД КСЭ сильно повышается при применении абсорбера с силиктивным покрытием, характеризуемым большим отношением поглощающей и излучательной способностью.

При однослойном остеклении абсорбера изменение степени силиктивности наблюдается с 1 до12, при этом КПД повышается с 45 до 60%.

Для горячего водоснабжения с помощью КСЭ требуемая разность температур Т₁-Тв 20-50°С. Применение двухслойного остекления снижает тепловые потери коллектора, но при этом увеличиваются оптические потери.

Для отопления зданий требуется большая разность температур, которую могут обеспечить только вакуумированные или с плоским силиктивным абсорбером.

1-е место в мире по количеству установленных коллекторов занимают США, где где общая площадь коллектора составляет более 10 млн. м². В Японии – более 8 млн. м², Израиль – 1,75 млн. м² и Австралия – 1,2 млн. м².

На одного жителя Израиля приходится 0,45 м².

Повышение эффективности солнечных коллекторов может быть достигнута путем применения концентраторов силиктивного поглощающего покрытия абсорбера, вакуумированния пространства внутри коллектора, несколько слоев прозрачной изоляции, сотовой ячеистой структуры в пространстве между абсорбером и остеклением и анти отражательных покрытий на остеклении.

Наиболее эффективным способом повышения КПД КСЭ является силиктивное покрытие: представляет собой тонкопленочные фильтры на металлической основе. Они состоят из черного никеля и черного хрома, наносимого электро-химическим способом. Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств при температурах до 400 °С. Плотность электрического потока при нанесении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, поэтому такие силиктивные покрытия с хромом получатся значительно дороже.

Вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы.

Известно, что поддержание вакуума ниже 1,33 Па в производстве между лучепоглощающей поверхностью и абсорбером и и прозрачной оболочкой существенно увеличивается КПД коллектора.

Возможны различные варианты конструктивного выполнения стеклянных трубчатых коллекторов:

3 2 2 1 2 3 4 1 1 1

1 – стеклянная оболочка

2 – трубка для нагревательной жидкости

3 – луче поглощающая поверхность

4 – отражатель

1 4 3 2 5

1 – стеклянные трубки

2 - трубка для нагревательной жидкости

3 – луче поглощающая поверхность

4 – отражатель

5 – теплоизоляция

Луче поглощающая поверхность расположена под вакуумированными трубками и надежно соединена с трубами для нагреваемой жидкости, помещенными в теплоизоляцию.

Обычно модуль включает до 10 стеклянных вакуумированных труб, присоединенных к общей трубе, но по которой движется нагреваемая жидкость. Как правило, весь модуль помещается в теплоизоляционный корпус. Слабым звеном является узел соединения стеклянных деталей, имеющий различный коэффициент линейного расширения.

металл

стекло стекло

В качестве теплоносителя в вакуумированных коллекторах используется вода, растворы различных веществ, силиконовое масло, этиленгликоли.

Аккумуляторы теплоты.

Необходимость аккумулирования теплоты в гелио системах обусловлено в несоответствии во времени поступления и потребления солнечной теплоты. Поток солнечной радиации изменяется от 0 в ночное время до максимума в полдень.

Е

Q Е Q 8 12 16 20 0 4 ,час

Е₃ Е₁

Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при кратковременном аккумулировании и на несколько месяцев при сезонном аккумулировании.

Е

Q

Е Q 1 6 12 , месяц

Следует отметить , что применение сезонных аккумуляторов пока экономически не целесообразно. В целом же применение аккумуляторов теплоты повышает эффективность гелио системы и надежность теплоснабжения. Низко температурная система аккумулирования теплоты охватывает диапазон от 30°С до 100°С и используется в системах воздушного (до 30°С), водяного(30-90) и горячего водоснабжения (45-60). Система аккумулирования теплоты содержит резервуар, аккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменное устройство для подвода и отвода теплоты при разрядке и зарядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумулятор классифицируют по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах:

1. Аккумуляторы емкостного типа – в них используется теплоноситель без изменения его агрегатного состояния (галька, природный камень, водные растворы солей)

2. Аккумуляторы фазового перехода тепла – в них используется теплота плавления или затвердевания вещества

3. Аккумуляторы энергии – основанные на выделении и поглощении тепла при обратимых и фотохимических реакциях. В аккумуляторах первой группы происходят одновременно процессы охлаждения или нагревания материала, либо через теплообменник.

Требование к теплоаккумулирующим материалам – это повышенная теплоемкость и энтальпия фазового перехода при достаточно высокой теплопроводности, высокая плотность материала и его химическая стойкость, безопасность и токсичность, низкая стоимость.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа.

Количество теплоты, которое может быть накоплено в аккумуляторе, может быть рассчитано по формуле:

, где m – масса теплоаккумулирующего тепла

С – удельная теплоемкость

Т₁, Т₂ – средняя начальная и конечная

температура теплоаккумулирующего вещества

Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, скальные породы и других природных образований. В крупных теплоаккумулирующих системах используются стальные и железобетонные резервуары емкостью до 100 тыс. м³, в которых вода может сохраняться длительное время с температурой 80-95°С.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты имеется в Швеции. Где с помощью гелиосистем и накопления сезонного тепла отапливаются целые поселки. Аккумуляторы теплоты солнечных установок небольшой мощности.

8 от КСЭ 3 4

к 2 1 5 6 7 4

Водяной аккумулятор Галечный аккумулятор

1 – теплообменник

2 – холодная вода

3 – горячая вода

4 – теплоизоляционный бак

6 – решетка

7, 8 – подвод и отвод воздуха

В промышленности выпускаются баки-аккумуляторы горячей воды емкостью 200-500 литров, применяемые в водонагревательных установках с естественной и природной циркуляцией.

4 2

а) аккумулятор с подводом теплоты снизу и

К СЭ внутренними перегородками

1

КСЭ 2

3

5 3

б) бак с поплавковым клапаном для подвода холодной воды

К СЭ 4

КСЭ 6

4

7 в) бак с подводом теплоносителя из КСЭ через теплообменник

КСЭ 1

К СЭ 3

4 г) секционированный бак с электронагревателем 10 11 8 КСЭ

7 3

1 – теплоизолированный корпус

2 – перегородка

3 – подвод холодной воды

4 – отвод горячей воды

5 – поплавковый клапан

6 – опускная труба

7 – теплообменник

8 – электронагреватель

9 – теплообменник

10 – в систему отопления

11 – из системы отопления

Высота в 3-5 раз больше диаметра, что обеспечивает расслоение воды разной температуры по высоте. Тепловые потери снижаются при применении в качестве изоляции стекловаты или пенопласта толщиной 50-75 мм. Перегородки 2 уменьшают возможность перемешивания слоев воды. Это повышает эффективность аккумулирования теплоты. В схемах а) и б) – вода, в) и г) – антифриз, поэтому используется теплообменник.

Галечный аккумулятор теплоты применяется в солнечных воздушных системах теплоснабжения, представляет собой емкость круглого или прямоугольного сечения, в которое засыпается галька диаметром 2-5 см. Обладает рядом достоинств, однако для запаса того же количества тепла, галечный аккумулятор должен иметь объем, больше, чем у аккумулятора с жидким теплоносителем. Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свое тепло, происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью воздух движется в обратном направлении (на подогрев помещений).

Температура камней в аккумуляторе может достигать 65-70°С и работать аккумулятор может до температуры 18-21°С.

Существует аккумулятор фазового перехода. В них используются теплоносители, принцип которых основан на многократных циклах плавления-затвердевания (парафин).

Солнечные установки бытового назначения.

Солнечные водонагревательные установки.

На отопление, водоснабжение и вентиляцию зданий расходуется 30-35% годового энергопотребления. В районах, имеющих более 1800 г солнечного сияния в год целесообразно использовать для отопления и горячего водоснабжения солнечную энергию.

Солнечные водонагревательные установки получили большое применение благодаря простоте конструкции, надежности и быстрой окупаемости.

Сейчас во всем мире эксплуатируется более 10 млн. нагревательных установок, включая жилые дома, больницы, гостиницы. Наиболее интенсивно производятся и внедряются солнечные нагревательные установки в Японии, Франции, США. По принципу работы водонагревательные установки можно разделить на 2 типа:

1. С естественной циркуляцией теплоносителя

2. С принудительной циркуляцией теплоносителя

В большей степени используются установки 1, они не требуют применения вращающихся механизмов (насосов). Они проще и надежнее. Более половины всех пассивных водонагревателей составляют установки термосифонного типа, в которых бак-аккумулятор и коллектор солнечной энергии объединены в единое компактное устройство.

Схема работы водонагревателя с естественной циркуляцией.

3 гв 2/3 h h Н^’

1 Н хв 2 4

1 – солнечный коллектор

2 – бак-аккумулятор горячей воды

3 – трубы (прямая)

4 – обратная труба

В нижнюю часть аккумулятора подается холодная вода, из его верхней части отводится горячая вода.

По подъемной трубе горячая вода из КСЭ поступает в бак-аккумулятор, а из нижней части бака-аккумулятора холодная вода подается к КСЭ. Естественная циркуляция по замкнутому контуру происходит из-за разной плотности теплоносителя в подъемной и отпускной трубах. И в следствии этого возникает разность давлений в выпускной и подъемной трубах.

, где

g – ускорение свободного падения .

Очевидно, что, чем больше разность температур, тем в итоге больше разность давлений и тем интенсивнее движение жидкости. Аналогичное влияние оказывает Н. Непременным условием эффективной работы водонагревательной установки с естественной циркуляцией теплоносителя является хорошая теплоизоляция всех устройств и прежде всего бака-аккумулятора. Толщина изоляции должна быть 5-7,5 см. При необходимости использования дополнительного электро-подогревателя, его располагают в верхней части бака-аккумулятора и располагают горизонтально. Благодаря этому в коллектор поступает вода и уходит к потребителю в нужных параметрах. Бак-аккумулятор должен быть установлен так, чтобы его днище было выше верхней отметки КСЭ на 30-60 см; а подачу горячей воды в бак-аккумулятор осуществлять на уровне 2/3 от всей высоты бака.

В условиях холодного климата в КСЭ следует использовать незамерзающий теплоноситель. Это может быть смесь воды с глицерином или этилен-гликолем (антифриз).

Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией.

Для горячего водоснабжения крупных объектов. В них КСЭ представляет собой большой массив модулей КСЭ. Установки имеют большую производительность и определенную сложность. Подача воду осуществляется с помощью насоса в бак-аккумулятор и регулированием температуры горячей воды, подаваемой потребителю путем подмешивания холодной воды в смесительном клапане.

4 гв

1 2 газовый котлоагрегат

3. хв

1 – солнечный коллектор

2 – бак-аккумулятор

3 – насос

4 – смесительный клапан

Все оборудование данной системы кроме КСЭ устанавливается внутри здания. Поэтому могут эксплуатироваться в холодный период года. При отсутствии солнечной радиации или ее недостатке, в работу включается газовый водонагревательный котел.

Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве предварительной ступени в обычных топливных системах горячего водоснабжения жилых зданий и других объектов. Возможны и другие схемы с принудительной циркуляцией:

6 хв 1 7 гв 2 газ 3 5 5

1 – солнечный коллектор

2 – теплообменник

3 – аккумулятор горячей воды

4 – газовый котел

5 - насосы

6 – расширительный бак

7 – автоматический расширительный клапан

Расширительный бак необходим для удаления (расширения) жидкости, используемой в качестве теплоносителя при высоких температурах.

В бак-аккумулятор холодная вода подводится в нижнюю часть, а по вертикали в баке несколько перегородок (дырчатые листы). Они необходимы для того, чтобы избежать перемешивания холодных и горячих слоев жидкости.

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80% нагрузки горячего водоснабжения, а оставшееся – с помощью котлов и электронагревателей.

гв

а ) БА ДИЭ

б ) гв ДИЭ хв

в ) гв ДИЭ БА хв

Схемы подвода теплоты от дополнительного источника энергии.

При подводе дополнительной энергии непосредственно в бак-аккумулятор повышается средняя температура теплоносителя в КСЭ. А, следовательно, понижается КПД и тепло производительность.

Наилучшим образом солнечная энергия используется при последовательном подключении дополнительного источника энергии б). В этом случае вода предварительно нагревается за счет солнечной энергии до сравнительно невысокой температуры. КПД и тепло производительность максимальны.

Схема подвода дополнительной энергии в байбасной линии (обходной), в), схема наиболее удачна, т. к. при этом недостаточно полно используется солнечная энергия из-за того, что часть воды вообще не нагревается.

Способы использования солнечной энергии.

Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее эффективный для энергетики считается способ с использованием паротурбинной установки по циклу Ренкина, т. е. цикл, который обычно применяется в ТЭС. В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа электрических станций:

1. Башенные

2. С использованием солнечных прудов

При этом необходимо учитывать характерные особенности солнечного излучения. К ним относятся:

1. Периодичность поступления СЭ (день, ночь)

2. Изменчивость интенсивности солнечного излучения (зима, лето)

3. Наличие перерывов поступления СЭ, связанных с состоянием атмосферы (кратковременная или длительная облачность)

На башенных СЭС приемник СЭ размещается на башни.

2 3 4 1

1 – гелиостаты (зеркала)

2 – паровой котел (концентратор СЭ)

3 – турбина

4 - электрогенератор

5 - конденсатор

6 – насос

Котел располагается на несколько десятков метров над землей и СЭ с помощью автоматически управляемых зеркальных отражателей (гелиостатов) фокусируются на поглощающуюся поверхность котла (КСЭ). При этом теплоноситель – вода, нагреваясь до несколько сот градусов (500-600°С), превращается в пар, который под давлением подается в паровую турбину, заставляя вращаться ротор турбогенератора, при этом выделяется электрическая энергия.

В основе принципа действия СЭС с солнечными прудами лежит своеобразный природный эффект. Его суть:

нагрев теплоносителя для работы турбогенератора осуществляется в солнечном пруду. Обнаружено это в нескольких соленых озерах, температура у дна может достигать 70°С – это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме солнечная энергия нагревает верхний слой воды и с глубиной температура резко понижается. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости, в солнечном пруду поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие нижние слои воды до температуры 90-100°С, в то время, как температура на поверхности остается в пределах 20°С. Благодаря высокой теплоемкости воды за летний период в таком пруду накапливается большое количество теплоты, так, что солнечный пруд является сезонным аккумулятором теплоты. Теплота к потребителю отводится от нижней части пруд

Схема солнечного пруда:

Н (м) 20 90 t, °С 4 3 2 1

1 – пресная вода

2 – изоляционный слой с увеличивающейся к низу концентрацией солей

3 – слой горячего раствора

4 – теплообменник

Обычно глубина солнечного пруда достигает 1-3 м. На 1 м² солнечного пруда требуется 500-100 кг поваренной соли. Наиболее крупным из существующих солнечных прудов находится в Израиле, его площадь составляет 250 км². Он используется для выработки электрической энергии. Мощность составляет 5 МВт.

Горячая вода из нижних слоев пруда подается в теплообменник и используется для испарения жидкости с низкой температурой кипения (пропан, аммиак).

5 6 4 7 8

9 10

3 2 1

1 – дамбы солнечного пруда

2 – горячая вода с повышенной концентрацией

3 – холодная вода

4 – теплообменник

5 - турбина

6 - генератор

7 - конденсатор

8, 9, 10 – насосы

Непостоянство солнечной радиации и ее сравнительно небольшая интенсивность, приходящаяся на единицу поверхности, требует больших площадей для размещения пруда или гелиостатов. В связи с этим высказываются идеи строительства космической электрической станции, при этом спутник особой конструкции, запускается на геостационарную орбиту на высоту 35 тыс. км, где он вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой земной поверхности. В этих условиях спутник более 99% времени будет освещаться Солнцем, при этом плотность потока энергии в 5-7 раз больше. Сконцентрированная на спутнике солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразований. И через специальную систему узким пучком в микроволновом диапазоне с частотой 2,4-2,5 ГГц передается на Землю. Для того, чтобы выработанную электрическую энергию преобразовать в СВЧ излучение, предлагается использовать специальные электронные приборы. Малая длина волны необходима для того, чтобы уменьшить размеры наземных принимающих антенн. На Земле энергия высокой частоты должна быть преобразована в переменный ток промышленной частоты.

Технико-экономическая оценка использования солнечной энергии.

При обосновании параметров СЭС используют метод сравнительной эффективности. При этом используется дублирование энергии других станций в энергосистеме и экологическая совместимость сравниваемых вариантов. Для того, чтобы неравномерность солнечного излучения уравновесить, добавляют аккумулятор (тепловой), создавая единый энергетический комплекс. В этом случае в часы солнечного сияния энергия запасается. При оценке экологической эффективности СЭС, необходимо так же учитывать ее высокую материало емкость и большую стоимость оптических систем. В качестве примера сопоставления различных типов СЭС и ТЭС рассмотрим результаты сравнительного анализа, проведенного в США, для трех типов солнечных электрических станций:

1. наземной гелиотермический (НГТЭ)

2. космической фотоэлектрической станции (КФС)

3. наземной фотоэлектрической станции (НФС)

Мощность сравниваемых электрических станций принималась равной 10 ГВт. Каждый из трех типов может быть оценен по расходам конструкционных материалов, воды, занимаемой площади, трудозатратам, энергии и денежных средств.

N	Показатели на 1 МВт	НГТЭ	НФЭ	КФЭ	ТЭС
1	Материалоемкость т/МВт	6368	774	1473	10542
2	Занимаемая площадь, км2/МВт	1,08	0,11	0,10	0,12
3	Расход воды, л/МВт	270	232	0,1	150
4	Трудозатраты, чел·год/МВт	57	40,6	76,8	39,6
5	Энергозатраты, ГДж/МВт	100,5	314	208	0,1
6	Денежные затраты, млн $/МВт	6	9,4	14,1	2,1

Состояние и перспектива развития ветро-электростанций

Ветроэнергетический потенциал.

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящего к появлению конвективных течений. Различие интенсивности солнечного излучения на различных географических широтах служит причиной перепада давления, которое вызывает перемещение воздушных масс – ветер. Мощность солнечного излучения, которое непрерывно преобразуется в энергию ветровых потоков, оценивается в 10¹¹ ГВт. Количество ветровой энергии, которое может быть использовано, равно 10-12% от этой величины. Эта величина в 100 раз больше гидроэнергетического потенциала. Современные ветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя атмосферы на высоте 50-70 м, реже до 100 м. В будущем при создании достаточно надежных технических средств возможно использование струйных течений, характерных для тропопаузы на высотах 8-12 км. Скорость ветра в ней 18-20 м/с.

На высоте до 100 м наиболее активное движение воздушных масс, на высоте несколько сот метров движение воздуха практически прекращается и далее ветер присутствует в тропопаузе, но в тропопаузе плотность воздуха в 10 раз ниже, чем в атмосфере. В следствие низкой плотности и рассеяности в пространстве используется энергия ветра в промышленных масштабах идет по пути строительства крупных ветроэнергетических систем, так называемых ветровых парках, состоящих из большого количества ветроэнергетических установок.

Типы ветроэнергетических установок.

Классификация по 2-м основным признакам:

1. геометрия ветроколеса

2. по его положению относительно направления ветра

а) с горизонтальной осью вращения, параллельный направлению ветрового потока (типа ветряных мельниц)

б) с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока (типа водяного колеса)

в) с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока

1 2 3 4 вид сверху

В настоящее время получили распространение 2 основных типа ВЭУ:

1. горизонтальные с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом) (тип 1,2)

2. вертикальные с вертикально осевой турбиной (ротором) (тип 3)

По мощности:

Малой мощности: до 100 кВт

Средней: 100-500 кВт

Маловаттного класса: 0,5-4 м

ВЭУ первого типа используется в виде ветроколеса с различным шагом лопастей (от 2-х до 500), расположенных радиально и наклоненных над некоторым углом в плоскости вращения. Рабочий момент создается над действием аэродинамических сил на лопастях колеса.

ВЭУ с вертикальной осью вращения (тип 3,4) имеют следующие преимущества: у них отпадает необходимость в устройстве ориентации по направлению ветра, упрощается конструкция и монтаж. Более удобным становится расположение генератора и редуктора.

Существует много типов ветроколес с вертикальной осью, но наиболее перспективным является ротор Дарье. Такой ротор образуется 2-мя, 3-мя, 4-мя изогнутыми в вертикальной плоскости лопастями, имеющими в поперечном сечении профиль крыла. На таких лопастях возникает подъемная сила, создающая вращающий момент на оси ветроустановки. Большое значение ветроэнергетики имеет правильный выбор расчетной скорости ветра. Мощность ВЭУ пропорциональна углу скорости ветра. Обычно в практике проектируются для горизонтальных ВЭУ с диаметром ветроколеса не менее 60 м, расчетная скорость применяется в 1.5 раза больше расчетной средней годовой скорости. Для вертикального ветроколеса типа Дарье расчетная скорость превышает среднегодовую в 2.5 раза.

Проблема непостоянной скорости вращения ВЭУ решается либо механическим способом, что закладывается в устройстве редуктора и генератора, либо электронным способом: используется аккумулятор и преобразователь напряжения.

Параметры ВЭС. Технико-экономическое обоснование.

1. Удельное капиталовложение – отношение суммы капиталовложений К к мощности ВЭС:

руб/кВт

2. Себестоимость электроэнергии:

Й=И/К, где Й – ежегодные издержки в долях капиталовложений (амортизационное отчисление на реставрацию и ремонт)

Тисп – число часов использования установленной мощности в год

3. Удельные расчетные затраты – отношение расчетных затрат к годовой выработке электроэнергии:

з = З/Э_ВЭС=100К(Ен + Й)/Тисп, где

Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений

Ен=0,12 говорит о том, что срок окупаемости составляет 1/0,12=8,3 года

Стремление создания ВЭУ предельно больших размеров и мощности не всегда экономически оправдано, т. к. может привести к росту себестоимости электроэнергии и удельных расчетных затрат.

Экологические аспекты ВЭ

ВЭС не производят никаких вредных выбросов и в этом отношении они являются экологическими чистыми. Основными отрицательными факторами на окружающую среду являются шум и блокировка занимаемой территории. Источник шума – механический шум от редукторов, подшипников и генераторов и аэродинамические воздействия, которые могут быть низкочастотными (менее 20 Гц) и высокочастотными (до нескольких кГц). Аэродинамические шумы вызваны вращением рабочего колеса и определяется следующим явлением: образованием разряжения за ротором с устремлением потока воздуха в точку схода турбулентных потоков, пульсациями подъемной силы на профиле лопасти. В непосредственной близости установки шум 50-80 Дб. Порог уха человека 130 Дб.

Кроме шума и вибраций воздуха ВЭС создают помехи для птиц и насекомых.

Мощное вращающееся колесо действует как экран, подобное тому, как возвышенность несколько квадратных километров и высотой 150 – 200 м.

При сооружении приемлемой мощной ВЭС, имеющей в составе большое количество крыльчатых установок, необходимо использовать большие территории.

Считается, что ВЭУ не влияют друг на друга, если между ними расстояние не менее 6 – 18 диаметров ветроколеса. Это приводит к тому, что для одной установки с диаметром ветроколеса 100м необходима территория 5 – 7 квадратных километров.

Геотермальные электростанции.

Запас геотермальной энергии.

В ядре нашей планеты максимальная температура достигает 4000 °С. Перенос тепла через твердые породы обусловлен теплопроводностью, реже конвективными потоками расплавленной магмы или горячей воды. Средняя плотность геотермального потока через земную поверхность составляет 0,06 Вт/м² при температурном градиенте порядка 30°С на километр. Подсчитано, что суммарная тепловая энергия, сосредоточенная в земле, намного превышает запас всех органических топлив. В ряде географических районов геотермальные ЭС являются одним из наиболее дешевых источников энергии.

R 1 30 км 2 2900 км 3 5150 км 4 6370 км

1 – земная кора

2 – мантия

3 – наружное ядро

4 – внутреннее ядро

Только в верхнем трех километровом слое Земли содержится 10²⁰ Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии. Источники геотермальной энергии можно разделить на 5 типов:

1. Месторождение геотермального сухого пара. Они легко разрабатываются, но редко встречаются. Тем не менее половина из всех действующих Гео ТЭС использует именно этот источник.

2. Источники влажного пара (смесь горячей воды и пара). Встречается чаще. При их освоении приходится решать проблемы коррозии оборудования Гео ТЭС и загрязнения окружающей среды, т. к. конденсат такого пара имеет большое солесодержание.

3. Месторождения геотермальной воды (гейзеры). Встречаются в аномалиях и представляют собой геотермальные резервуары. Нагрев воды в них осуществляется за счет магмы.

4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой на глубине двух и более километров. Запасы этой энергии самые большие.

5. Магма. Представляет собой нагретые до 1300°С расплавленные горные породы.

Технически доступные ресурсы геотермальной энергии ограничены общим теплосодержанием земной поверхности глубиной до 10 км. Пригодные геотермальные ресурсы 137·10¹² т.у.т.. Это 1% от общего содержания 10 км слоя земли. Основную долю из этого количества составляет теплота горных пород, которая может быть извлечена с помощью циркуляционных систем.

Наибольшую ценность для энергетики имеют геотермальные воды с высокой температурой и пониженным солесодержанием, т. к. при этом оборудование подвергается меньшей коррозии и меньшему отложению солей.

Типы установок Гео ТЭС.

Несмотря на то, что суммарные запасы геотермальной энергии велики, их термодинамическое качество низко. Температура теплоносителя Гео ТЭС значительно ниже температуры сжигания топлива. Следует иметь в виду, что потребность в тепле при температуре ниже 100°С обычно выше, чем потребность в электроэнергии. Т. о. использование геотермальной энергии в виде тепла значительно важнее, чем выработка электроэнергии. Выработка электроэнергии на Гео ТЭС представляет интерес, если температура геотермального теплоносителя выше 300°С. Геотермальные электростанции имеют ряд особенностей:

1. Постоянный избыток энергоресурсов, обеспечивающий использование полной установленной мощности Гео ТЭС

2. Легкая их автоматизированность

3. Последствия возможных аварий ограничиваются зоной, окружающей станцию

4. Удельное капиталовложение и себестоимость электроэнергии на Гео ТЭС ниже, чем на других станциях из-за дешевого теплоносителя

Гео ТЭС можно разделить на 3 типа:

1. Станции, работающие на месторождениях сухого пара

2. Станции с испарителем, работающие на горячей воде под давлением

3. Станции с бинарным циклом, в котором геотермальная теплота передается вторичному теплоносителю (фреон, изобутан). При этом осуществляется классический цикл Ренкина. Как правило, такие схемы применяются там, где горячая вода сильно минерализированна.

Во всех 3-х типах с точки зрения классических ТЭС отсутствует котельная установка.

В зависимости от параметров термальных вод применяется несколько технологических схем производства электроэнергии.

1. Технологическая схема Гео ТЭС

1

2 4

3

6

5

9 8 10 7 хов

1 – скважина

2 – паропреобразователь

3 – турбина

4 - генератор

5 - конденсатор

6 - градирня

7,8 – насосы

9 – дегазатор

10 – сброс конденсата

хов – химически очищенная вода

Данная схема используется там, где термальные воды представляют собой пар высокой температуры и большим содержанием газов. Природный газ из скважины поступает в теплообменник, где нагревает хов, превращая его во вторичный пар, поступающий в турбину. Газы, находящиеся в природном паре, отделяются в паропреобразователе и используются либо для теплоснабжения, либо в качестве сырья на химических заводах. Возможность утилизации газов, содержащихся в природном паре, является существенным достоинством этой схемы.

2. Вторая схема основана на использовании пара, образующего при испарении горячей жидкости на поверхности. Суть этого явления заключается в том, что при приближении горячей воды из-под земли к поверхности, давление падает и определенная часть жидкости вскипает, превращаясь в пар. Пар отделяется с помощью сепараторов и направляется в турбину. При этом пар не содержит газов. Вода, выходящая из сепаратора может быть подвергнута дальнейшей обработке с целью извлечения из нее нужных материалов.

3. Предназначена для испарения термальных вод низких параметров. В этой схеме используется процесс с применением двухконтурного бинарного цикла.

В ода поступает из скважины в теплообменник, в другом контуре которого находится фреон или изобутан, имеющие низкие температуры кипения. Пар, обрабатывающийся в теплообменнике, поступает в турбину. Отработав в ней, переходит в холодильник (конденсатор), где конденсируется в исходную жидкость.

1 2 3 4 6 5 8 7

2 - теплообменник

Т. о. все 3 схемы Гео ТЭС практически ничем не отличается от классической ТЭС за исключением отсутствия котла. Себестоимость энергии и удельное капиталовложение на 1 кВт установленной мощности на Гео ТЭС обычно ниже, чем на любых других ЭС.

Экологические последствия строительства Гео ТЭС.

Утверждение, что Гео ТЭС с экологической точки зрения абсолютно безвредны, является ошибочным. При неправильном решении технических вопросов добычи, очистки, транспортировки и утилизации природных теплоносителей, природной среде может быть нанесен серьезный ущерб.

Основную проблему с экологической точки зрения могут представлять геотермальные воды, которые мы выводим на поверхность.

Из содержащихся в термальных водах и паре газов вредное влияние на воздушный бассейн может оказывать сероводород, а также газы метан, азот, являются либо нейтральными, либо не приводят к превышению ПДК. Выбросы сероводорода в атмосферу могут нанести серьезный ущерб растительности. Применяемая обработка H₂S при работе геотермальных станций позволяет превратить его в окисл серы с дальнейшим получением чистой серы или серной кислоты, однако при этом капитальное вложение строительства Гео ТЭС увеличится на 20%.

Поскольку большинство существующих энергоустановок использует теплоноситель с явным содержанием солей, до 5-10 г на литр, то вредное влияние при сбросе отработанной воды связано не с общей минерализацией солями, а с отдельными вредными компонентами (примеси бора и мышьяка), которые могут аккумулироваться рыбой. Так, например, в Италии некоторое время применялось извлечение бора из геотермальных вод с получением твердой борной кислоты.

Преобладающий в настоящее время фонтанный способ добычи геотермального теплоносителя может привести к серьезным нарушениям гидрологического и механического равновесия артезианских бассейнов водяной смеси для Гео ТЭЦ в Новой Зеландии отличалось оседание грунтов и повышение сейсмической устойчивости. Недостаточное использование тепла геотермальных вод может привести к нарушению теплового баланса и нанести вред экологии водоемов.

Что касается отчуждения земель, то Гео ТЭС и система геотермального теплоснабжения вполне сопоставляемы с традиционными энергоустановками.

Современные Гео ТЭС оказывают значительно ниже вредное воздействие на окружающую среду, чем ТЭС на органическом топливе и в дальнейшем явиться альтернативой ТЭС и АЭС в дальневосточном регионе нашей страны, где замыкающие затраты на топливо выше, чем в других регионах.

Энергетические ресурсы морей и океанов. Типы энергетических установок.

Энергия мирового океана включает: энергию ветровых волн, океанических течений, приливов, прибоев, градиентов солености и теплоты. Наиболее перспективным считается приливная, волновая, тепловая и энергия течений.

Приливная энергия.

Причиной приливных движений в океане является гравитационное взаимодействие Земли с Луной и Солнцем. Приливо-образуящая сила Луны в данной то же земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяжения Луны и центробежной силой от вращения системы Земля-Луна вокруг общего центра тяжести. В результате воздействие этой силы на поверхности земли возникают приливные колебания уровня воды. Приливные колебания имеют период равный половине лунных суток (12 ч. 24 мин.). Максимальный уровень прилива называется полной водой, минимальный – малой водой. Высота колебания уровня характеризуется разностью уровней, которую называют величиной прилива. При полусуточных приливах суточные колебания при полнолунии и новолунии, а минимум – в первую, третью четверть луны.

Величина приливов и отливов колеблется от нескольких сантиметров до десятков метров. Наивысший прилив – до 17,3 м наблюдался в заливе Фанди (Канада). В Европе – в Англии 14,5 м. В России – Пейджинском – 14,5 м и в Тугурском – 10 м Охотского моря.

Мировые ресурсы приливной энергии оцениваются в 1 млрд. кВтч. Наиболее распространена однобассейная схема компоновки приливной ГЭС. В отгороженном от моря зданием электрических станций дамбами в заливе, называемый бассейном, во время приливов создается перепад уровней между морем и бассейном, а во время отливов – наоборот. Что при достаточном напоре создает работу гидротурбин в обоих направлениях.

2 прилив 1 Здание ПЭС шлюзы гидрогенератор дамба океан бассейн

При работе ПЭС в достаточно мощной энергосистеме прерывистый характер работы ПЭС не имеет важного значения. Гораздо важнее получить от нее требуемую мощность в часы максимальной нагрузки, что обеспечит рациональный режим работы ТЭС и АЭС. При этом реализуется важное качество ПЭС – неизменность количества вырабатываемой электроэнергии в течение месяца и года. При изолированной работе ПЭС у потребителя необходимо иметь резервный источник подачи электроэнергии. В условиях России ПЭС могут строиться на побережьях Баренцева и Охотского морей, что требует большого начального капитала и поэтому себестоимость такой электроэнергии будет высока. Для очень крупных ПЭС мощностью несколько млн. кВт может быть поставлен вопрос о создании энергоемких производств с использованием энергии этой электростанции.

Энергия волн морей и океанов.

Энергозапас волн от 10 до 90 млрд. кВт. Может быть использовано 2,7 млрд. кВт. Но эта величина существенно превышает мощность приливов и отливов. Это больше суммарной мощности всех электростанций мира. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. Считается, что в открытом океане при высоте волны удельная мощность может достигать 2 МВтм. Однако технически возможно использовать энергию волн в прибрежных зонах, где она не превышает 80 кВтм. Удельная мощность волн, образующихся на больших глубинах при значительной удаленности от берега, на порядок выше. Т. о. Использование волн на глубине выгоднее. На волновых электростанциях потенциальная и кинетическая энергия волн преобразуется в электрическую. Энергия волн может непосредственно может превращаться в электрическую путем вращения ротора генератора или через вращение турбины, соединенной с генератором.

Достоинства волновых установок:

1. Не требуют изъятия земельных угодий под водохранилища

2. Волновые установки, располагаемые вблизи берега, могут снижать энергию волн и предотвращать размывание береговой линии

Удельная плотность волновой энергии кВт/м в 10 раз больше плотности ветровой энергии и намного больше солнечной. Особенность волновой энергии – это ее неравномерность во времени. Максимальное значение в 5-11 раз больше средних. Энергия волн существенно зависит от размеров самих волн. На сегодняшний день разрешены не все технические вопросы при строительстве электростанции:

1. Крепление установок в море

2. Антикоррозийная защита

3. Долговременность работы

4. Передача энергии на большие расстояния при больших глубинах.

Существуют экологические последствия, заключающиеся в уменьшении кислорода в морской воде.

Тепловая энергия океана.

Известно, что Солнце нагревает лишь верхний слой морей и океанов и нагретая вода опускается вниз, т. к. плотность теплой воды меньше, чем холодной. Температура воды на глубине 1 км не превышает 5 С. Получившийся тепловой градиент создает громадные запасы тепловой энергии, равной 95·10¹² кВтч/год.

Принцип использования разности температур слоев морской воды в энергетических целях опирается на основные законы термодинамики. При этом теплая морская вода верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25-30°С (фреон, пропан, аммиак). Пар этой жидкости подается в турбогенератор и приводит его в движение. Отработанный пар при выходе его из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из турбины, конденсируется и вновь поступает в ТО для превращения в пар.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость энергии

на океанических ТЭС примерно соответствует этому показателю на ТЭС и АЭС. Однако переменность некоторых технических проблем, таких, как отсутствие эффективных средств борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов, препятствует развитию данных станций.

В экологическом плане ОЭС безвредны, но если в контуре, где циркулирует фреон, возникают утечки, то морской микрофауне может быть нанесен вред.

Схема ОТЭС

3

4

1

5

2

теплая вода

7 6 хо холодная вода

1 – насос

2 – теплообменник

3 – турбина

4 - генератор

5 - конденсатор

6,7 – насосы

Данный способ преобразования тепловой энергии в электрическую наиболее эффективен там, где перепад температур теплой и холодной воды наибольший, т. е. Тропические и субтропические районы мирового океана.

Энергия океанических течений.

В океанических течениях: поверхностных и глубинных, сосредоточены большие запасы энергии равной 7,2·10¹² кВтч/год, которую можно преобразовать в электрическую. Всю акваторию мирового океана в самых разных направлениях пересекают морские течения. Под этими течениями есть и глубинные. Важнейшее и самое известное течение – Гольфстрим – оно пересекает Атлантический океан в северо-восточном направлении, его ширина составляет 60 км, глубина – 800 м, живое сечение – 48 км². Это течение несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира, его скорость – 2 м/с. В США с 73 г. разрабатывается программа – Кориолис, она предусматривает установку во Флоридском заливе 242 установок суммарной мощностью 20 тыс. МВт.

Рассматривается возможность использования в качестве первичного двигателя таких установок прямоточной турбины с диаметром 168 м и частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопатками будет таким, чтобы обеспечить безопасный проход рыб. Вся установка будет погружена на глубину 30 м, чтобы не мешать прохождению судов. В Японии используется возможность течения Курасиво, расход воды которого 55·10⁶ м³/с, и скорость 1,5 м/с. Предполагается установить аналогичную турбину диаметром 53 м.

Имеются также проекты получения электроэнергии за счет водяных парашютов.

Экономическая оценка океанических электростанций.

Экономические показатели ОТЭС зависят от следующих факторов:

1. Плотность рассматриваемого источника энергии

2. Степень близости или аналогичность рассматриваемых проектов к существующим технологиям

3. Оригинальность технологических предложений и реализация их конструкций

4. Стоимость самого проекта

Затраты на передачу электроэнергии, особенно океанической. В целом следует отметить высокие начальные капиталовложения при строительстве морских и океанических типов ЭС. Расчеты показывают, что стоимость энергии сопоставима со стоимостью энергии с ТЭС и АЭС. Например, себестоимость электроэнергии, выработанной на приливной ЭС во Франции в 2,5 раза выше, чем на ГЭС и составила 0,0967 франка за кВтч. В то время, как себестоимость электроэнергии на приливной станции 0,12 F/кВтч.

Экологические последствия.

Экологические последствия выражаются в следующем:

В приливной энергетике:

1. Периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землеиспользования в районе ПЭС, флоры и фауны в акватории

В волновой энергетике:

1. Эррозия побережья

2. Изменение характера движения прибрежных насосов

3. Изменение сложившихся судоходных путей

В гидротермальной энергетике (ОТЭС):

1. Утечки в океан аммиака, фреона, хлора

2. Изменение циркуляции вод

3. Появление биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений.

Тепловая энергия океана является более чистым источником.

Энергия приливов.

В настоящее время находится в эксплуатации следующие ПЭС: во Франции – 240 МВт, 2 в Канаде – 20 МВт, в России – 0,4 МВт.

Запасы энергии биомассы и особенности биотоплива.

То, из чего состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или естественном разложении выделяют тепло. Посредством химических или биологических процессов биомасса может быть трансформирована в такие виды топлива, как газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются в различных регионах. Биомасса относится к возобновляемым источникам энергии.

Мировые потребления энергии составляют 1/10 часть того количества энергии, которое ежегодно образуется в процессе фотосинтеза. За счет энергии и топлива, получаемых из биомассы, нельзя удовлетворить потребности промышленно развитых стран. Однако их 10% может повлиять на мировой баланс.

Накопленная в биомассе растительного мира энергия эквивалентна доказанным запасам органического топлива. В пересчете на сухую массу накопление биологических материалов в биосфере идет со скоростью 250·10⁹ т/год. Из этого количества только 0,5% употребляется человеком в пищу.

Образование зависит также от места. Так, на суше образуется в 2 раза больше, чем в мировом океане.

Промышленное потребление биомассы может быть весьма значительным. Например, за счет отходов переработки сахара в отдельных странах покрывается до 40% потребностей в топливе.

Применение биомассы в виде навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве для половины населения планеты. Для человечества гибельно то обстоятельство, что в настоящее время расход древесного угля значительно опережает его воспроизводство.

Успешное развитие систем и производств, основанное на переработке биомассы, возможно при соблюдении следующих принципов:

1. Каждый вид производства биомассы способен дать широкий спектр разнообразных продуктов, что делает целесообразным комплексное их использование

2. При некоторых технологиях отдельные виды топлива, полученные из биомассы, могут потребовать от своего производства больше, чем могут дать, что требует разработки прогрессивных технологий.

3. Общий экономический эффект для агропромышленных отраслей от внедрения комплексной переработки биомассы трудно оценить

4. Производство биомассы экономически оправдано только в том случае, если используются ритмично пополняемые запасы биомассы.

5. Основные опасности экстенсивного использования топлива из биомассы – уничтожение лесов, эрозия почв и снижение урожайности

6. Биотопливо – производная органических соединений и всегда существует возможность использовать биотопливо в качестве химического сырья или конструкционных материалов.

Сегодня использование биомассы в качестве топлива составляет 10%. Особенно большое значение это имеет в Развивающихся странах, где проживает около 40% всего населения Земли.

Такие некоммерческие виды топлива как древесина, навоз, отходы сельскохозяйственного производства, удовлетворяют до 90 % общей потребности энергии, получаемой из биомассы. Сегодня за счет сжигания дров в мире получают до 2 тыс. МВт энергии. Сжигание отходов древесины, а также получение брикетов коры, щепы и отходов древесины, используется в химической переработке.

Технология получения энергии из биомассы.

Системы производства и использования биомассы для получения энергии имеют следующие преимущества:

1. Возобновляемость

2. Относительная дешевизна

3. Экологическая безопасность

4. Короткий срок их проектирования и строительства

5. Повышение надежности электроснабжения, повышение эффективности энергии топлива и снижение остроты избавления от отходов

Есть 2 основных способа получения биотоплива из биомассы:

1. Традиционный – с помощью термохимических процессов, сжигание

2. Биотехнологическая переработка

Термохимические способы:

1. Прямое сжигание для непосредственного получения тепла

2. Пиролиз – биомассу нагревают либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой его части при малом доступе воздуха

3. Прочие термохимические процессы

Биохимические способы:

1. Спиртовая ферментация (получение этилового спирта, который вырабатывается микроорганизмами в процессе ферментации)

2. Анаэробная переработка – в отсутствии воздуха

3. Биофотолиз – разложение воды на водород и кислород под воздействием света. Некоторые организмы могут при определенных условиях производить кислород путем биофотолиза.

Из биомассы получают энергетические продукты:

Вид биомассы	Технический процесс	Энергетические продукты
Сухая	-Сжигание -Газификация -Пиролиз -Гидролиз, дистилляция	-Тепловая и электрическая энергия - Горючие газы, метанол - Горючие газы, смола, древесный уголь Этиловый спирт
Влажная	-Брикетирование -Прессование -Анаэробное сбражение -Сбражение и дистилляция	-Топливные брикеты -Биогаз -Этиловый спирт

На конечном этапе полное разложение происходит под воздействием множества бактерий, классифицированных как аэробные, либо как анаэробные.

Аэробные бактерии.

Развиваются в присутствии кислорода, с их участием углерод окисляется до СО₂. В замкнутых объемах при недостатке кислорода развиваются анаэробные бактерии. В итоге углерод под воздействием этих бактерий делится между СО₂ и СН₄.

Биогаз (смесь СО₂ и СН₄ ) образуется в биогенераторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. При этом удается получить от 60 до 90% полезной энергии. Важным процессом является то, что в отходах содержится меньше болезнетворных организмов, чем в исходном материале.

Получение биомассы становится оправданным и предпочтительным, когда биогенератор работает на постоянной основе и при значительном потоке биоотходов.

Примеры отходов: стоки канализации, свинофермы. Экологичность этих систем в том, что нет необходимости в сборе этих отходов. Заранее известно, сколько и откуда поступит отходов.

Для успешного создания биоэнергоустановок, необходимо:

1. Активное участие общественности во всех стадиях развития, планирования, разработки и внедрения в систему

2. Долгосрочная поддержка и техническая помощь со стороны государства и коммерческих организаций

3. Развитие генной инженерии и методов получения культур, пригодных для различных целей

4. Стимулирование всех видов сотрудничества, направленных на обмен опытом и новыми технологиями.

Экономика биоэнергетических установок.

Для обоснования параметров установки по переработке биомассы необходимо знать расход и стоимость сырья, возможные ресурсы биомассы, рабочие силы и требования по охране окружающей среды. Учитывая, что установки для получения энергии из биомассы являются дорогими, целесообразно при их основании метод общей экономической эффективности, т. е. Увязать их с существующей системой энергоснабжения.

Развитие биоэнергетики за счет использования с/х культур, может дать большое количество газа, однако при этом будут и недостатки:

1. Производство энергии будет конкурировать с производством пищи. Например, зерновые фирмы США производят до 10% мирового зерна, а экспорт 1/3 произведенного зерна позволяет частично покрыть дефицит во многих странах. Увеличение производства биотоплива, а конкретно, спирта, может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов.

2. Возможность обеднения и эрозии почв, в результате интенсификации энергетических культур. В леспромхозах, предприятий целлюлозно-бумажной промышленности скапливается ежегодно 16 млн м³ коры, из которой используется только 4. Главным образом, для сжигания вместе с мазутом. Остальные выбрасываются в отвалы. Более сложна переработка твердых бытовых отходов, которые появляются в результате деятельности человека.

В большинстве стран ТБО вывозят на свалки. Москва ежегодно образует 12-13 м³ ТБО и только 2 млн. перерабатывается на мусоросжигательных заводах. Специалисты считают, что твердые бытовые отходы обладают высоким энергетическим потенциалом и могут использоваться для теплоэнергосбережения крупных городов. Имеются различные проекты по утилизации ТБО, начиная от сжигания и получения при этом теплоты и заканчивая получением синтетического топлива в жидком или газообразном виде.

Преимуществом топлива из биомассы является его относительная дешевизна. При налаженном производстве биогаз может быть в 1,5-3 раза дешевле традиционного топлива. В нашей стране получение биотоплива из бытовых отходов практически отсутствует. Целесообразно сооружение небольших установок по переработке лесных, городских и с/х отходов.

Экологическая характеристика биоэнергетики.

Биоэнергетические установки по сравнению с другими источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Например, анаэробная ферментация является эффективным средством переработки животных отходов. При этом уничтожаются болезнетворные микробы и запахи. Плюс образуется дополнительный корм для скота и удобрение после переработки.

В целом у нас по стране их величина оценивается 60 млн. тонн органического топлива. Свалки заполняют овраги и другие пониженные участки местности. Если на этих свалках применяется сжигание мусора, то при захоронении свалки начинается метановое брожение, при котором в атмосферу выделяется метан, что ее существенно загрязняет. Вместе с метаном могут выделяться различные токсические вещества, разнообразные по составу и очень опасные.

Прямое сжигание древесины дает большое количество органических компонентов, твердых частиц, окиси углерода и др. газов.

Биогаз более чистое топливо, однако при его сжигании необходимы меры предосторожности, т. к. метан взрывоопасен. При утилизации лесной биомассы неизбежна потеря питательных веществ в лесной почве. В целом необходима разработка научно обоснованной методики сопоставления различных экологических последствий применения возобновляемых источников энергии на окружающую среду.

Факторы воздействия ВЭС на природную среду.

Фактор воздействия	Метод устранения
1. Изъятие земельных ресурсов, изменение свойств почвенного слоя	Размещение ВЭУ на неиспользуемых землях Оптимизация размещения, т. е. Минимальный расход земли
2. Акустическое воздействие	Изменение числа оборотов ветроколеса Изменение формы лопатки Удаление ВЭУ от соц. Объектов Замена материалов и лопостей ветроколеса
3. Электромагнитные изучения телевидения и радиосвязи	Сооружение ретрансляторов Замена материалов лопостей ветроколеса Удаление от коммуникаций
4. Влияние на птиц на перелетных трассах и морскую фауну при размещении ВЭС на море	Анализ поражаемости птиц на трассах перелета и рыб на путях миграции Расчет вероятности поражения птиц и рыб
5. Аварийная ситуация, опасность поломки и разлета поврежденных частей	Расчет вероятности поломок ветроколеса, траектории и дальности разлета частей Зонирование производства вокруг ветроустановок

Использование вторичных энергоресурсов.

ВЭР – это энергетический потенциал отходов продукции, побочных и промышленных продуктов, образующихся в технологических условиях и системах, которые не используются в самой установке, но могут быть частично или полностью использован для энергоснабжения других энергоустановок.

Вторичные материальные ресурсы – это материальные отходы технологических производств, которые могут быть использованы в народном хозяйстве.

Энергетический потенциал отходов и продукции – это запас энергии в виде химически связанной теплоты, физической теплоты и потенциальной энергии избыточного давления.

Отходы	Вид отходов	Потенциал энергоносителя	Носители энергетических или материальных ресурсов
Энергетические	Горючие	Низкая температура сгорания, Qрк, кДж/кг (кДж/м3)	Химическая энергия отходов технологических процессов химической переработки сырья
	Тепловые	Перепад энтальпий, Н, кДж/кг	Физическая теплота отходящих газов, основной продукции , отходов основного производства, теплота пара или горячей воды, отработавших в технических установках
	Избыточное давление	Работа изоэнтропного расширения А, кДж/кг	Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлением
Материальные	Газ Твердые Жидкие	–	Газообразные, твердые или жидкие отходы образуются в процессе производства основной продукции, которые целиком или отдельными компонентами могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья после переработки

Направление внешнего энергетического использования тепловых отходов.

1. Топливное – это непосредственное использование ВЭР в качестве топлива

2. Тепловое – это использование теплоты, полученной за счет ВЭР или выработанной за счет ВЭР в теплоутилизационных установках

3. Силовое – это использование механической и электрической энергии

4. Комбинированное - использование теплоты и электрической энергии одновременно за счет ВЭР (утилизационная ТЭЦ)

Удельный и общий выход ВЭР определяется по следующим формулам:

1. Удельный выход горючих

q^г_уд = m·Q^р_н

2.Удельный выход тепловых

Q^т_уд = m·(с₁ t₁ – с₂ t₂) = m · Н

3. Удельный выход избыточного давления

Q_изб^давл = m·А

4. Общий объем

Qвых = q_уд ·Н = q_час· ,

где m – удельное количество энергоносителя, кг или м³ на единицу выпускаемой продукции

q – нижняя рабочая теплота сгорания, кДж/кг,

t₁, t₂, с₁, с₂ – температуры и теплоемкости на входе и выходе из энергоустановки

q_уд – удельный выход ВЭР на единицу продукции, сырья или топлива

М – выпуск основной продукции или расход сырья за рассматриваемый период

q_час – часовой выход ВЭР

- число часов работы установки источников ВЭР

А – работа изоэнтропного расширения

Различают возможную, фактическую, планируемую выработку энергии. Возможная выработка энергии при использования пара высоких параметров, полученной в утилизационной установке за счет ВЭР, определяется выражением: W = Q_т / q_к , где q_к – удельный расход теплоты на производство единицы электроэнергии (кДж/кВтч), Q_т – выработка теплоты в утилизационной установке. Возможная комбинированная выработка теплоты и электроэнергии в теплофикационных турбинах. Отпуск теплоты Q₀ будет определяться как Q₀ = Q_т / (1 + Э q_т). А выработка электроэнергии будет определяться по формуле:

W = Э q_т / (1 + Э q_т), где

q_т – удельный расход теплоты на выработку электроэнергии на тепловом потреблении 4-4,5 тыс кДж/кВтч

Q_т – количество теплоты, поступающей в конденсационную турбину.

Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет избыточного давления определяется:

W = Н · m · А · , где

- относительный внутренний КПД утилизационной турбины

- механический КПД равный 0,98-0,99

- КПД электрогенератора равный 0,98-0,99

Экономия топлива за счет ВТЭР.

Экономия топлива может рассматриваться за какой-то период: год, месяц, сутки

, где Q_n – количество теплоты, используемых вторичным энергоресурсом

b₃ – удельный расход условного топлива, тонн/кДж.

90