Методическое пособие 757

СПб : Гидрометеоиздат, 2005. – 155 с.

2.Беличенко Ю.П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств [Текст] / Ю.П. Беличенко, Л.С. Горбеев, Ю.А. Комиссаров. – М.: Химия, 1996. – 272 с.

3.Бельчинская Л.И. Снижение содержания формальдегида в сточных водах мебельных и деревообрабатывающих производств [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева, В.К. Бартенев // Модификация древесины: Тез. докл. Всесоюзн. конф. – Минск, 1990. – С. 80.

4.Ткачева О.А. Разработка клеевой композиции с пониженным содержанием свободного формальдегида для склеивания и облицовывания древесины, обезвреживание и утилизация сточных вод [Текст] /Диссерт. … канд. техн. наук. – Воронеж, 2000. – 153 с.

5.Холодкевич С.В. Перспективные методы обезвреживания органических загрязнений воды [Текст] / С.В. Холодкевич, Г.Г. Юшина, Е.С. Апостолова // Экологическая химия.

–М., 1996. – 5(2). – С. 75-103.

6.Бельчинская Л.И. Способ очистки сточных вод, содержащих формальдегидные

смолы [Текст] / Л.И. Бельчинская, Н.И. Послухаев, Ю.И. Тарасевич, О.А. Ткачева. – Патент на изобретение № 2060953 МКИ3 СО2F1/28 (РФ), бюл. № 15 от 28.05.1996.

7.Бельчинская Л.И. Адсорбционно-химический способ очистки сточных вод деревообрабатывающих производств от формальдегида [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева. – // Ресурсосберегающие технологии и охрана окружающей среды: тез. докл. Российской межотраслевой научно-практ. конф. – СПб., 1993. – С. 8-11.

8.Беспамятнов Г.П. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде [Текст]: справочник / Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов. – Л.: Химия, 1985. – 528 с.

9.Бельчинская Л.И. Сорбционно-химическая очистка и утилизация формальдегидсодержащих сточных вод [Текст] / Л.И. Бельчинская, О.А. Ткачева. – Zbornik referatov //Vybrane Prozesy pri Chemickom Sprakovani Dreva: zbornik referatov. - Zvolen, Slovak Republik, 26 June 1996. - P. 134-135.

1ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-

воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) 2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени

Г.Ф.Морозова»

O.A. Tkacheva1, L.I. Belchinskaya2, O.Yu. Strel’nikova1

LOW-WASTE TECHNOLOGIES AT WOODWORKING ENTERPRISES

A technological solution which allows to reduce the concentration of toxic free formaldehyde in materials, wastewater and solid waste of furniture enterprises is proposed, as well as to implement a closed water supply system for technological operations in which urea-formaldehyde resin is used

Key words: urea-formaldehyde resin, formaldehyde, activated clay adsorbent, waste water, neutralization and utilization of waste, closed water supply system, low-waste technology, ecological and economic effect

1Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh)

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov»

161

СЕКЦИЯ 4. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

УДК 621.311:658.26

В.И. Рышков, О.А. Сидоркин, Д. С. Копин

ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО – ОДИН ИЗ ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ БУДУЩЕЙ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Приводятся разнообразные способы получения водорода, анализируются достоинства и недостатки водородного топлива, проблемы технического и экологического характера, возникающие при его использовании, приводятся возможные пути их разрешения, показываются перспективы развития, приводится принцип действия и основные характеристики первой в мире водородной электростанции

Ключевые слова: возобновляемая энергия, экологическая безопасность, производство водорода, водородное топливо, высокопотенциальная энергия, термодинамические параметры, оптические концентраторы, тепловые насосы, электролиз, водородная электростанция, парниковый эффект, выбросы углекислого газа, электроэнергия, водородная энергетика

Еще в конце XX века стало очевидно, что экономика, базирующаяся на ископаемом органическом топливе, учитывая истощение его запасов, а также негативное воздействие сжигаемого топлива на окружающую среду, должна уступить место другой экономике, на базе возобновляемых энергоресурсов, более эффективных и экологически чистых.

Анализируя различные варианты построения такой экономики, специалисты большинства стран мира сходятся на том, что ее основой станет водородная энергетика, которая в своем классическом виде строится по простой схеме: вода + энергия = водород + кислород = энергия + вода. Причем такая безуглеродная энергетика должна использовать возобновляемые виды энергии, такие как солнечная, ветровая, частично атомная. Водород же по такой схеме является вторичным энергоносителем и накопителем энергии, пригодным для хранения и передачи на расстояние [1].

Следует отметить, что некоторые учѐные считают решение энергетических проблем за счѐт водородного топлива тупиковым и опасным путем развития энергетики. Поскольку, освобождаясь от загрязнения среды обитания продуктами горения углеводородного топлива, человечество приобретает достаточно мощный, взрывоопасный и непредсказуемый продукт - водород, который может послужить источником глобальной катастрофы.

Однако сегодня стало совершенно очевидным, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. Не случайно их взоры обращаются к водороду, запасы которого в водах Мирового океана неисчерпаемы. К тому же неоспоримыми достоинствами этого топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, нетоксичность.

Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен рядом его преимуществ, главными из которых являются: экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода; исключительно высокая энтальпия, равная - 143,06 МДж/кг (для обычного углеводородного топлива - 29,3 МДж/кг); высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость, что очень важно при его транспортировке по трубопроводам.

Очевидно, что водородная энергетика должна включать в себя: получение водорода из воды и другого природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; а также транспортировку водорода к потребителю с неболь-

162

шими потерями. Запасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39∙1018т), что способствует возможности многостороннего использования водорода [1].

Водород может быть использован в качестве топлива во многих химических и металлургических процессах, в авиации, в транспорте и в виде добавок к моторным топливам. А поскольку в настоящее время основную массу энергоносителей потребляет транспорт (к примеру, в США до 80 %), то он сегодня является и основным загрязнителем окружающей среды. Поэтому различные пути развития водородной энергетики целесообразно применять также и на транспорте. И работы в этом направлении ведутся довольно активно.

Однако существенной и до сих пор непреодоленной проблемой остается неэкономичность его промышленного производства. Сегодня более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады и Японии усиленно работают над удешевлением производства водорода. Успешное решение этой важнейшей задачи революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду.

Существует целый ряд традиционных способов разложения воды на водород и кислород: химический, термохимический, электролиз [2]. Однако все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Естественно, такое производство водорода для водородной энергетики всегда будет оставаться экономически невыгодным, неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным.

Вместе с тем наша планета в буквальном смысле слова купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Вся проблема сводится лишь к тому, как использовать этот неиссякаемый источник низкопотенциального тепла в технологиях промышленного производства водорода. При этом встает вопрос об эффективных способах преобразования низкопотенциальной энергии до необходимых для промышленного производства водорода из воды термодинамических параметров [1, 2]. Традиционно он решается применением оптических концентраторов инфракрасного излучения Солнца (собирающие линзы, зеркала) или использованием тепловых насосов, обычно, когда термический потенциал весьма незначителен, например, в случае отбора тепла из окружающей воздушной или водной среды.

Первое из названных технических решений очень сильно зависит от климатических и масштабных факторов, нестабильно во времени, поэтому не нашло широкого применения.

Второе решение меньше подвержено влиянию этих факторов, но не обеспечивает достаточно высокой степени концентрации (обычно не более 7-10 раз), что на практике не позволяет сконцентрированное таким способом рассеянное тепло непосредственно использовать в процессе разложения воды.

На первый взгляд, перспективное направление развития энергетики практически просто неосуществимо. Однако такая возможность существует. Решение проблемы становится очевидным, если процесс электролиза водного раствора электролита и последующее сжигание полученного водорода и кислорода рассматривать как единый замкнутый термодинамический цикл теплового насоса.

Как известно причина расточительной затраты электроэнергии при классическом электролизе кроется в том, что она используется на преодоление сил гидратных связей ионов с молекулами воды и компенсацию эндотермического эффекта реакции ее разложения. Поэтому для обеспечения восстановления ионов на соответствующих электродах необходимо приложить большее напряжение, чем в случае, когда бы это физическое явление отсутствовало.

163

По этой и другим причинам затраты электроэнергии на выработку одного кубометра водорода с учетом перенапряжения при традиционном электролизе в промышленных условиях составляют 18-21,6 МДж, а общий расход энергии (с учетом производства самой электроэнергии) превышает 50 МДж, что делает водород недопустимо дорогим [2]. Следует отметить, что для нужд водородной энергетики в будущем предполагается усовершенствовать традиционные методы получения водорода и разработать новые, используя в основном солнечную и ядерную энергию [3].

Один из таких методов получения водорода – каталитической конверсии природного газа заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора, а тепло подводят от высокотемпературного ядерного газоохлаждаемого реактора. Применение этого метода позволит более чем в 10 раз увеличить объемную скорость процесса, снизить температуру в химическом реакторе на 150 °С и уменьшить затраты на производство водорода на 20-25 %.

Другой вариант получения водорода - водно-щелочной электролиз под давлением с использованием дешевой электроэнергии, вырабатываемой в ночное время электростанцией. Полученный таким способом водород может направляться на нужды промышленности либо использоваться как топливо на электростанции для выработки дополнительной электроэнергии в дневное время.

Еще одним перспективным методом получения водорода является электролиз воды с использованием в качестве электролита расплава щѐлочи, твердого полимера, или керамики на основе двуокиси циркония, ZrO2. Такой метод требует затрат электроэнергии на 30-40 % меньше, чем традиционные. Использование твѐрдых электролитов позволяет значительно сократить расстояние между электродами в ячейке (до 250 мкм), в результате чего в несколько раз повышается плотность тока без увеличения напряжения на ячейке электролизѐра. При этом кпд электролизѐра может достигать 90 %, а расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 составит 2,5 - 3,5 кВт∙ч (по обычному способу 5,1-5,6 кВт∙ч).

Перспективно также получение и использование энергии водорода химическими способами. По одному из них смесь водорода с монооксидом углерода (СО), полученная на первой ступени каталитической конверсии метана (СН4), передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция. В результате ее образуется метан и вода. Выделяемое при этом тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а парогазовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Исследуются также и фотохимические методы получения водорода с использованием солнечной энергии. Например, осуществлением фотоэлектролиза воды. Метод будет представлять практический интерес, если его КПД достигнет 10-12 % (пока же он - около 3 %).

Другим интересным способом получения водорода является биофотолиз воды, который основан на том, что некоторые микроорганизмы и микроводоросли, поглощающие солнечную энергию, способны разлагать воду с выделением водорода. Однако КПД такой трансформации солнечной энергии этими микроорганизмами очень низок – примерно 8 %.

Следует отметить, что все перспективные для водородной энергетики методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, ныне находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований, которые ведутся во многих странах мира. Например, в Италии построена не имеющая пока аналогов в мире водородная электростанция мощностью 16 МВт, сырьѐм для которой служат отходы от нефтеперерабатывающих заводов. Она располагается в Порто-Маргера, промышленном пригороде Венеции. Еѐ строительство осуществила одна из крупнейших энергетических компаний в мире - «Enel» [4].

Углекислый газ, который получается как один из побочных продуктов при переработке нефти, является источником энергии для водородной электростанции. Таким образом, решается сразу две задачи: борьба с парниковым эффектом, причина которого в первую очередь из-за больших выбросов углекислого газа в атмосферу, а также использование отходов для получения полезной энергии.

164

Принцип работы водородной электростанции заключается в получении горячего воздуха и пара при сжигании водорода. Полученный пар приводит в движение турбогенераторы, которые вырабатывают электроэнергию.

Мощность водородного завода составляет 12МВт плюс 4МВт, который вырабатывает при повторном использовании горячего пара от существующей угольной электростанции. Производимой электроэнергии 60 млн. кВт·ч хватает для электропитания 20000 домов, что дает возможность избежать выбросов более чем 17000 м3 углекислого газа в атмосферу от традиционной электростанции такой же мощности. Эта электростанция только первый проект под эгидой Водородного Парка (Hydrogen Park), консорциума, сформированного в 2003 году в Италии. В него входят Индустральный союз Италии, а также Министерство защиты окружающей среды. Консорциум стремится продвинуть водородные технологии в транспортировку и получение электричества.

Таким образом, основой новой мировой энергетики, основанной на базе более эффективных и экологически чистых возобновляемых энергоресурсов, с успехом может стать водородная энергетика, для которой запасы водорода в водах Мирового океана неисчерпаемы. Однако на сегодняшний день для производства водорода требуется больше энергии, чем возможно получить при его использовании, поэтому пока считать его источником энергии нельзя. Он является лишь средством хранения и доставки энергии.

Литература

1.Основы водородной энергетики / Под ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «Лэти», 2010. - 288 с.

2.Основы современной энергетики / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. В 2-х томах // Том 1 под ред. проф. А. Д. Трухния. - М: Издательский дом МЭИ, 2008. – 368 с.

3.Водородная энергетика. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.o8ode.ru /article/energy/energy.htm

4.Первая водородная электростанция в мире. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tehstudent.net/publ/novye_tekhnologii/pervaja_vodorodnaja_ehlektrostancija_v_mire/2-1-0- 299

ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)

V.I. Ryshkov, O.A. Sidorkin, D.S. Kopin

HYDROGEN FUEL - ONE OF THE WAYS TO SOLVE ENERGY PROBLEMS OF FUTURE WORLD ENERGY

Various methods of hydrogen production are presented, the advantages and disadvantages of hydrogen fuel are analyzed, the problems of technical and ecological nature arising from its use, possible ways for their solution are given, the development prospects are shown, the operating principle and the main characteristics of the world's first hydrogen power station

Key words: renewable energy, ecological safety, hydrogen production, hydrogen fuel, high-potential energy, thermodynamic parameters, optical concentrators, heat pumps, electrolysis, hydrogen power station, greenhouse effect, carbon dioxide emissions, electricity, hydrogen energy

Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)

165

УДК 621.311:658.26

В.И. Рышков, В.Ю. Ченгин, А.Е. Ковалеров

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕЛИОКОНЦЕНТРАТОРОВ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Приводятся различные виды гелиоконцентраторов, анализируются их достоинства и недостатки, излагаются принципы действия и основные характеристики различных типов гелиотермальных электростанций с зеркальными концентраторами, показываются перспективы их использования, а также возникающие при этом проблемы технического и экологического характера

Ключевые слова: возобновляемая энергия, экология, безопасность, гелиотермальная энергетика, гелиоконцентратор, тепловая машина, двигатель Стирлинга, пар, электроэнергия, фокус, вогнутое зеркало, гелиотермальная установка, температура кипения, параболоцилиндрический концентратор, фокусная линия, солнечное излучение, параболический концентратор тарельчатого типа, приемник тепловой энергии, теплообменник, теплоноситель, теплоизоляция, гелиоцентрическая установка башенного типа, гелиотермальная электростанция, следящая система, модульная конструкция, тепловой баланс, КПД

Разработка, развитие и внедрение новых высокоэффективных технологий использования возобновляемых (альтернативных) источников энергии ныне является единственным способом решения надвигающихся проблем, связанных с исчерпанием запасов ископаемых видов органического топлива.

Одним из главных направлений развития альтернативной энергетики XXI века является солнечная энергетика. Солнце излучает ежесекундно 370·1012 ТДж энергии. Из этого количества на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·105 ТВт, за год 38·1020 кВт·ч, что в 108 раз больше, чем ныне потребляется во всѐм мире [1].

При использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может практически вечно обеспечивать растущие потребности в ней всего человечества.

Одним из важнейших направлений развития солнечной энергетики является гелиотермальная энергетика, которая основывается на нагревании теплоносителя, соприкасающегося с поверхностью ѐмкости, поглощающей солнечные лучи, с последующим использованием полученного тепла для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения. Причѐм в настоящее время гелиотермальные солнечные электростанции являются экономически более эффективными по сравнению с фотоэлектрическими станциями [1, 2]. Преобразование солнечной энергии в механическую энергию, а затем и в электрическую осуществляется с помощью тепловых машин: паровых (использующих водяной пар, фреоны), или двигателей Стирлинга (двигателей внешнего сгорания).

Вкачестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа. В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы вогнутых зеркал фокусируется на ѐмкости с теплоносителем для его нагрева

сцелью получения горячей воды и пара. Полученная тепловая энергия расходуется по аналогии с обычными ТЭЦ для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения.

Известно, что солнечные лучи в фокусе собирающей линзы или вогнутого зеркала способны создавать высокую температуру, превышающую температуру кипения многих жидкостей. Линзы тяжелы, дороги и трудны в изготовлении, то в промышленных гелиотермальных установках используются зеркала (либо стеклянные, либо из полированного алюминия). Если в фокус зеркала поместить сосуд с теплоносителем, то он быстро нагреется до температуры, необходимой для работы тепловых машин. Таков принцип действия преобразователей прямого солнечного излучения - гелиоконцентраторов.

Взависимости от метода концентрации солнечной энергии различают:

-параболоцилиндрические концентраторы, фокусирующие солнечное излучение на трубах с водой или маслом, расположенных вдоль фокусной линии;

-параболические концентраторы тарельчатого типа, фокусирующие солнечное излучение на приемниках с теплоносителем, которые расположены в точке фокуса каждого зер- кала-тарелки;

166

- гелиоцентрические установки башенного типа, фокусирующие солнечное излучение на центральный приемник, расположенный в верхней части башни.

Высокая температура в фокусе зеркал гелиоконцентратора достигается путем отражения прямого солнечного излучения с большей поверхности и его концентрации на меньшую поверхность приемника тепловой энергии, через который протекает жидкий теплоноситель, поглощающий полученное тепло. Кроме зеркального концентратора и приемника энергии с теплоносителем в электростанцию входят установки, генерирующие пар и электроэнергию, аккумулирующие часть тепла для работы электростанции ночью и в плохую погоду, а также системы передачи тепловой и электрической энергии потребителям.

Следует отметить, что зеркальные параболические концентраторы способны фокусировать только прямое солнечное излучение и не могут рассеянное, что сильно снижает общую эффективность их работы. Даже если солнце зашло за не плотные тучи, выработка тепловой энергии с помощью параболической системы падает до нуля (у обычных же низкотемпературных солнечных коллекторов в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьѐзно снижается, но не до нуля). Поэтому наибольший КПД у таких систем в регионах с высоким уровнем инсоляции. Однако даже там для максимально эффективного использования солнечного излучения необходимо обеспечить ориентацию концентраторов в направлении солнца. Для этого их оснащают специальной системой, следящей за Солнцем, которая поворачивает зеркала «лицом» к солнцу [2].

Одноосные следящие системы поворачивают зеркала параболических концентраторов в вертикальной (угломестной) плоскости, а двухосные - как в вертикальной, так и в горизонтальной (азимутальной) плоскости для ориентирования системы на Солнце в течение всего светового дня в любое время года. Стоимость такой системы велика и достигает 3/4 стоимости всей энергоустановки. К тому же следящие системы требуют постоянного контроля со стороны технического персонала, а также периодического обслуживания. Вследствие этих причин себестоимость тепловой и электрической энергии, вырабатываемой такими солнечными энергоустановками пока очень высока. Солнечные параболоцилиндрические концентраторы, имеющие длину до 50 метров с ориентацией восток - запад и располагающиеся рядами в направлении север-юг, фокусируют солнечное излучение в линию, в которой расположена труба небольшого диаметра с протекающим в ней теплоносителем. Зеркала в фокусе обеспечивают более, чем стократную концентрацию солнечной энергии, которая нагревает теплоноситель почти до 400 °С [3].

Нагретый теплоноситель проходит через ряд теплообменников, вырабатывая пар, вращающий турбину парогенератора, генерирующего электроэнергию. С целью минимизации тепловых потерь, поглощающую солнечную энергию трубу с протекающим в ней теплоносителем, размещают внутри прозрачной стеклянной трубы, выполняющей функцию теплоизоляции. В целях повышения эффективности параболоцилиндрические зеркальные установки оснащают системами слежения за Солнцем по углу места. Солнечные электростанции с зеркальными концентраторами тарельчатого типа представляют собой ряд параболических зеркал, формой напоминающих спутниковые тарелки. С помощью зеркал происходит фокусировка солнечного излучения на приѐмники энергии с теплоносителем, расположенные в точке фокуса каждого зеркала-тарелки. Температура нагрева теплоносителя достигает 1000 °С. Полученный пар, вращает турбину парогенератора, вырабатывающего электроэнергию. Для повышения эффективности работы электростанции зеркальные концентраторы оснащают системами слежения за Солнцем по азимуту и углу места. Модульный тип конструкции солнечной электростанции с зеркальными концентраторами тарельчатого типа делает их весьма перспективными, т.к. позволяет легко добиться требуемых мощностей, а, следовательно, и удовлетворять потребности различных потребителей. Такие станции могут состоять как из одного модуля (маломощные автономные электростанции), так и из нескольких десятков модулей (мощные электростанции, работающие параллельно с сетью). Концентратор отдельного модуля может состоять из одного или нескольких зеркал в форме тарелок,

167

радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а их количество - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Солнечные системы тарельчатого типа, использующие двигатели Стирлинга, обладают наибольшей эффективностью. Их КПД составляет 29 %, что фактически является мировым рекордом по эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую форму [3].

Вгелиоцентрических солнечных электростанциях башенного типа фокусировка солнечного излучения на центральный приемник, расположенный в верхней части башни, осуществляется зеркальными концентраторами – гелиостатами, оснащѐнными управляемой компьютером системой слежения за Солнцем по азимуту и углу места. Благодаря чему высоко сконцентрированные солнечные лучи в любой момент времени падают на приемник с теплоносителем. Полученный пар вырабатывает электроэнергию, вращая турбину парогенератора, а затем используется на производстве, а также для отопления и горячего водоснабжения. Рабочим телом в тепловом двигателе обычно является водяной пар с температурой 550 °С, воздух и другие газообразные вещества с температурами до 1000 °С, органические жидкости с низкой температурой кипения – до 100 °С, а также жидкометаллические теплоносители – до 800 °С. Температурный диапазон в приемнике варьируется от 538 до 1482 °С [3].

Внастоящее время на гелиотермальных станциях такого типа используются усовершенствованный приемник и теплоаккумулирующая система на расплавленных солях, что стало революционным прорывом в солнечных технологиях. Применение технологии расплавленной соли, позволяющей сохранять тепло при температуре 550 °С, сделало возможным генерирование электроэнергии при любых погодных условиях и даже ночью (накопленного тепла хватает на 15 часов работы в темное время суток и в пасмурную погоду), что послужило толчком для создания крупных промышленных электростанций. На гелиотермальных станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности [3, 4]. Однако, несмотря на открывающиеся перспективы, крупномасштабному использованию солнечных электростанций башенного типа препятствует ряд причин, основными из которых являются: необходимость больших площадей для их размещения и очень высокая стоимость генерируемой ими энергии. Так, например, площадь, необходимая для размещения электростанции башенного типа мощностью 100 МВт, составит 200 га, тогда как для АЭС мощностью 1000 МВт требуется всего 50 га. Причѐм АЭС значительно дешевле [2, 4]. Кроме того, солнечные концентраторы оказывают негативное воздействие и на экологию в районе расположения станции [1, 2]:

- большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям условий для растительности, почвы;

- нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями, приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров, а в некоторых случаях возможны также перегрев и возгорание самих концентрирующих систем;

- особую опасность представляют низкокипящие жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами, которые в случае их неизбежной утечки в солнечных энергетических системах при длительной эксплуатации могут привести

кзначительному загрязнению окружающей среды.

Опыт эксплуатации различных типов солнечных тепловых электростанций с зеркальными концентраторами позволяет сделать следующие выводы [1, 3, 4]:

-для крупных электростанций мощностью от 30 до 200 МВт наиболее приемлемы башенные и параболоцилиндрические конструкции, работающие совместно с традиционной энергосистемой;

-модульные системы тарельчатого типа целесообразно использовать в автономных системах мощностью в несколько МВт;

-башенные и тарельчатые гелиосистемы имеют более высокий КПД преобразования солнечной энергии в электрическую форму, однако их стоимость пока ещѐ достаточно высо-

168

ка и неизвестно, как скоро удастся добиться еѐ снижения;

-напротив, несмотря, на меньший КПД, параболоцилиндрические концентраторы, имеют в обозримом будущем наибольшие перспективы использования, это уже апробированная и более дешѐвая технология;

-большинство солнечных энергоустановок концентрирующего типа не имеет аккумуляторов тепловой энергии (а, следовательно, не могут обеспечивать потребителей энергией ночью и в пасмурную погоду), то подобные установки целесообразно строить гибридные комплексы;

-при промышленных масштабах генерации тепловой и электрической энергии в местностях с высоким уровнем инсоляции солнечные электростанции с зеркальными концентраторами уже в ближайшем будущем смогут конкурировать с традиционными источниками. Кроме того, на наш взгляд целесообразно разрабатывать и строить мини установки с параболическими концентраторами мощностью 9 - 25 кВт, а также бытовые - мощностью 3 кВт. КПД подобных систем 22 – 24 %, что выше, чем у сегодняшних фотоэлектрических элементов.

Литература

1.Андреев С.В. Солнечные электростанции. - М.: Наука, 2002. - 528 с.

2.Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Энергия, 2003. - 436 с.

3.Солнечная энергетика. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. agencynau .tj/energo/solnechnaya.html

4.Гелиоэлектростанции. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://solarbattery.narod.ru/gelio.htm

ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)

V.I. Ryshkov, V.Yu. Chengin, A.E. Kovalerov

USING HELIOCONCENTRATORS FOR HEAT AND ELECTRIC ENERGY DEVELOPMENT

Various types of helium concentrators are analyzed, their advantages and disadvantages are analyzed, the principles of operation and the main characteristics of various types of solar thermal power plants with mirror concentrators are described, the prospects for their use, as well as the technical and environmental problems that arise

Key words: renewable energy, ecology, safety, solar thermal energy, helio-concentrator, heat engine, Stirling engine, steam, electric power, focus, concave mirror, solar thermal installation, boiling point, parabolic cylindrical concentrator, focal line, solar radiation, parabolic disk-type concentrator, receiver of heat energy, heat exchanger, coolant, heat insulation, heliocentric installation of a tower type, solar thermal power plant, servo system, module naya design, heat balance, efficiency

Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)

УДК 621.311:658.26

В.И. Рышков1, С.А. Домнич2

ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Даѐтся сравнительный анализ развития альтернативной энергетики в России и за рубежом, показываются перспективы еѐ развития, приводятся основные проблемы освоения возобновляемых источников энергии и успехи в их преодолении

Ключевые слова: энергоресурсы, возобновляемые источники энергии, альтернативная энергетика, энергетический комплекс страны, ветровые, солнечные, геотермальные, приливные и биоэлектростанции, эффективность энергоснабжения и энергосбережения

Бурно растущие с конца XIX века темпы промышленного развития вызвали необхо-

169

димость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению запасов ископаемого органического топлива и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы. Даже если энергетического кризиса удастся избежать миру рано или поздно придется, столкнуться с тем, что запасы невозобновляемых сырьевых ресурсов - нефти, газа и угля - будут исчерпаны. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля на Земле хватит лет на 400-500, а нефти и газа - максимум на столетие. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива год от года ухудшают экологию. Поэтому в настоящее время перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их сейчас называют, альтернативных, источников энергии. Так что неслучайно президент РФ В. Путин в своем недавнем послании Федеральному собранию РФ отметил, что Россия должна стать инициатором и «законодателем мод» в энергетических инновациях, в новых технологиях преобразования энергии, в поиске современных форм ресурсо- и недропользования. Россия может и должна стать альтернативным мировым энергетическим центром.

О такой трансформации мышления свидетельствуют и принятые еще в январе 2009 года российским правительством «Основные направления государственной политики в сфере повышения эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года». В соответствии с этим документом, доля альтернативной энергетики, или возобновляемых источников энергии, в нашей стране, как предполагается, составит к 2020 году 4,5 % [1]. Несмотря на то, что о необходимости развития альтернативной энергетики у нас говорят еще с 20-х годов прошлого века, сегодня ее доля в общем производстве электроэнергии в России не дотягивает и до 1 %.

Для того чтобы представить, насколько ничтожна эта цифра, можно привести в пример Швецию, где идентичный показатель составляет 24 %. И вообще, эта страна планирует к 2020 году полностью отказаться от органического топлива. Так что, наша программа на этом фоне выглядит более чем скромно. По мнению многих экспертов, даже при нынешних «повышенных обязательствах» для того, чтобы догнать «передовиков», нам понадобится, как минимум, полвека.

По подсчетам Института энергетической стратегии, на Россию приходится 12 % мировых запасов нефти, 35 % запасов газа, 16 % угля и 14 % урана. И это при населении, составляющем всего 2,4 % от численности человечества. Поэтому до недавнего времени считалось, что мы безмерно богаты и можем позволить себе поставлять энергоресурсы в другие страны. В результате чего наша экономика превратилась в сырьевую, а запасы нефти и газа за последние годы существенно сократились. Причем газо- и нефтедобывающие мощности российских компаний сегодня из Западной Сибири постепенно перебазируются в Восточную Сибирь, на тихоокеанский и арктический шельфы. Очевидно, что их добыча и транспортировка будут связаны с немалыми техническими трудностями и, естественно, с огромными затратами. А главное – они ведь тоже конечны, как и казавшиеся когда-то бездонными подземные кладовые Уренгоя, месторождения Татарстана. Так что, потратив огромные средства на развитие нефтяной и газовой промышленности, спустя несколько десятилетий мы снова столкнемся с дефицитом энергоресурсов. И это неизбежно, если альтернативная энергетика из вспомогательной не превратится в основную часть энергетического комплекса страны.

Отставание в этой сфере грозит тем, что развитые страны, стремящиеся освободиться от энергетической зависимости, связанной с поставками нефти и газа из России и арабских стран, в ближайшие годы уйдут вперед. И тогда уже мы окажемся в зависимости от них, поскольку, истощив свои запасы органических невозобновляемых энергоносителей, мы будем вынуждены покупать на Западе современные «альтернативные» технологии и новую технику. Пока же удельный вклад возобновляемых ресурсов в мировое энергопроизводство составляет порядка 7,5 %. Но это «в среднем» по миру. В то время как в отдельно взятых промышленно развитых странах доля ветровых, солнечных, геотермальных и других альтерна-

170