9. Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии

9.1. Возможности использования солнечной энергии, энергии ветра, морей и океанов, геотермальной энергии и оценка эффективности предлагаемых инженерных решений

Почти все источники энергии на Земле так или иначе использовали и используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ и т. д. Эти природные ископаемые пред­ставляют собой не что иное, как «законсервированную» солнечную энергию. Под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энер­гию, а потом в результате длительных процессов превра­тились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и дре­весины. Энергия рек, океанов, ветра также происходит от Солнца, которое поддерживает жизненный цикл на Земле. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных за­пасах ископаемых топлив, а за 1 секунду - 170 млрд Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, излучаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5 млрд раз.

За все время, от первых скромных опытов в XVII веке и до космических полетов, прямому использованию сол­нечной энергии уделяли недостаточное внимание. Толь­ко в наши дни начинает формироваться новая научная и техническая дисциплина, занимающаяся проблемами ис­пользования солнечной энергии - так называемая гелио-энергетика.

Солнечная энергия может быть преобразована в теп­ловую, механическую и электрическую, использо­вана в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской воды, суш­ки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т. п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фо­тосинтеза и рост растений, происходят различные фото­химические процессы.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на ис­пользовании циклов тепловых двигателей, термоэлектри­ческого и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фо­тоэмиссионного преобразований. Наибольшее практичес­кое применение получили фотоэлектрические преобразо­ватели и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудова­ние, предназначенное для улавливания солнечной энер­гии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управ­ления.

Улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую осуществляется с помощью оптической систе­мы отражателей и приемника сконцентрированной сол­нечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны. На по­верхность самых больших пустынь мира общей площа­дью 20 млн км² за год поступает около 5-10¹⁶ кВт·ч сол­нечной энергии. При эффективности преобразования сол­нечной энергии в электрическую, равной 10 %, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный миро­вой уровень энергопотребления.

Рассмотрим различные варианты преобразования сол­нечной энергии в электрическую.

1. Башенные и модульные электростанции. В настоящее время строятся солнечные электростан­ции в основном двух типов: башенного и распределенно­го (модульного).

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в поселке Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная элект­ростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1 600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м² каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концент­рации солнечной энергии в несколько тысяч раз (рису­нок 9.1). Система слежения за Солнцем достаточно слож­на, т. к. требуется вращение вокруг двух осей. Управле­ние системой осуществляется с помощью ЭВМ. В каче­стве рабочего тела в тепловом двигателе обычно исполь­зуется водяной пар с температурой до 550° С, воздух и другие газы - до 1000° С, органические жидкости с низ­кой температурой кипения - до 100° С. Главным недо­статком башенных СЭС является их высокая стоимость и большая занимаемая площадь.

Рис. 9.1. Схема солнечной электростанции башенного типа

1 - солнечные лучи; 2 - парогенератор-гелиоприемник;

3-пароводяной аккумулятор; 4 - гелиостаты

В СЭС распределительного (модульного) типа исполь­зуется большое число модулей, каждый из которых вклю­чает параболо-цилиндрический концентратор солнечно­го излучения и приемник, расположенный в фокусе кон­центратора и используемый для нагрева рабочей жидко­сти, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа по­строена в США и имеет мощность 12,5 МВт. На рисунке 9.2 представлен концентратор солнечного излучения, имею­щий форму цилиндрического параболоида.

СЭС модульного типа небольшой мощности более эко­номичны, чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энер­гии с максимальной степенью концентрации около 100.

Рис. 9.2. Концентратор солнечного излучения

1 — солнечные лучи; 2 - параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения; 3 - приемник, используемый для нагрева рабочей жидкости

2. Солнечные батареи.

Энергия солнечной радиации может быть преобразо­вана в постоянный электрический ток посредством сол­нечных батарей - устройств, состоящих из тонких пле­нок кремния или других полупроводниковых материа­лов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкции позволяет со­здавать установки практически любой мощности и де­лает их весьма перспективными. Существенным недо­статком ФЭП является их высокая стоимость.

В настоящее время солнечные батареи, преобразующие энергию фотонов в электричество, обычно обладают КПД не более 30 %, поскольку каждый полупроводниковый материал способен абсорбировать энергию фотонов толь­ко в строго определенном диапазоне. Однако учеными недавно был создан новый материал (нитрид галлия-ин­дия), который позволит достичь КПД - 50 %. Главной проблемой остается дороговизна и сложность применяе­мого метода выращивания кристаллов нитрид галлия-индия.

Сегодня солнечные батареи находят широкое приме­нение не только в космосе, но и на Земле. На юге ФРГ недавно была введена в эксплуатацию крупнейшая в мире солнечная энергетическая установка. На территории быв­шего военного объекта около южногерманского города Хемау было смонтировано в общей сложности 40 блоков солнечных батарей суммарной мощностью около 400 МВт. При стоимости установки 18,4 млн евро она позволяет обеспечить потребности в электроэнергии 4,6 тыс. жите­лей Хемау.

Существуют также проекты воздушных электростан­ций, преобразующих солнечную энергию в энергию воздушного потока. Так, например, в Австралии пла­нируют построить солнечную электростанцию, пред­ставляющую собой вертикальную трубу высотой 1 км (рису­нок 9.3). У основания трубы будет сооружен огромный парник (стеклянный купол диаметром около 7 км). Сол­нечная радиация будет собираться в стеклянном коллек­торе и нагревать воздух, который будет подниматься вверх по башне со скоростью 15 м/с, вращая при этом 32 мощные турбины, вырабатывающие электроэнергию.

Рис. 9.3. Прототипы Австралийской воздушной электростанции

Общая мощность установки составит примерно 200 МВт. Электростанция позволит предотвратить вы­брос в атмосферу более 800 тыс. т «парниковых» газов. Строительство станции планируется завершить к 2006 году. На строительство новой электростанции пра­вительством Австралии выделено 700 млн долларов. Она должна стать первым экологически безвредным проек­том добычи солнечной электроэнергии такого масштаба. Согласно проекту, до 2010 года на территории Австралии планируется создание 5 электростанций нового типа.

Заманчиво научиться собирать и утилизировать энер­гию нашего светила. Ведь Солнце - это неиссякаемый, или, как говорят энергетики, возобновляемый источник энергии. Когда сжигают органическое топливо, извлекае­мое из недр, оно не восполняется, а если и возобновляется, то очень медленно, тогда как термоядерный реактор бу­дет действовать еще миллиарды лет, лучи которого не пе­регревают Землю, являются «недобавляющим» источни­ком энергии. Вероятно, это качество окажется важным в перспективе, когда деятельность человека начнет замет­но сказываться на тепловом балансе всего земного шара.

Солнце порождает и поддерживает также существова­ние и других видов возобновляемых источников энергии, например ветра.

Ветроэнергетика является одним из наиболее древ­них источников энергии. Энергия ветра широко приме­нялась для привода мельниц и водоподъемных устройств в Египте и на Ближнем востоке. В Европе ветряные мель­ницы появились в начале XIX века, в России действовало около 250 тыс. ветряных мельниц. Появление паровых машин заставило забыть на длительное время ветровые установки. Кроме того, низкие единичные мощности аг­регатов, постоянная зависимость их работы от погодных условий ограничивали направления широкого использо­вания этого природного источника энергии. В середине XX века в связи с широким внедрением электричества наблюдалось увеличение интереса к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) и прежде всего в направлении создания ветроэнергетических станций (ВЭС). Первая в мире ВЭС с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была спроектирована и построена в Крыму в 1931 г.

Использование ВЭС для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ВЭС в рамках единой энер­госистемы и достаточно мягкие при использовании энер­гии ВЭС в осветительных и нагревательных установках.

Основными элементами конструкции ВЭУ являются: башня, электрогенератор, ветроколесо, система передачи крутящего момента ветроколеса валу электрогенератора (редуктор), система управления параметрами генерируе­мой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения ветроколеса, аккумулятор элек­трической энергии.

ВЭУ классифицируют по двум основным признакам: геометрической форме колеса и его положению относи­тельно направления ветра. Если ось вращения ветроко­леса параллельна воздушному потоку, то установка назы­вается горизонтально-осевой, если перпендикулярна -вертикально-осевой. На рисунке 9.4 представлены наи­более часто используемые типы ветроколес.

Рассмотрим ВЭУ с горизонтально-осевым расположе­нием ветроколес крыльчатого типа. Основной вращаю­щей силой у колес этого типа является подъемная. Отно­сительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэро­динамический стабилизатор или какое-либо другое устрой­ство, удерживающее его в рабочем положении. При зад­нем расположении башня частично затеняет ветроколе­со. При работе колеса в таких условиях возникают цик­лические нагрузки, повышенный шум и отклонения вы­ходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо долж­но четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются элек­трические серводвигатели.

В ВЭУ с горизонтально-осевым расположением ветро­колес чаще всего используются двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются плавным ходом. Элек­трогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни. Мно­голопастные ветроколеса, развивающие большой крутя­щий момент при слабом ветре, используются для пере­качки воды и других целей, не требующих высокой час­тоты вращения ветрового колеса.

В ВЭУ с вертикально-осевым расположением ветро­колес при любом направлении ветра ветроэлектрогенераторы всегда находятся в рабочем состоянии вследствие своей геометрической формы. Кроме того, такая схема позволяет за счет удлинения вала установить редуктор с генератором в низу башни. Однако, несмотря на ряд пре­имуществ, ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют недостатки:

• большая подверженность усталостным разрушени­ям из-за более часто возникающих в них автоколебатель­ных процессов;

• пульсация крутящего момента, приводящая к неже­лательным пульсациям выходных параметров генератора.

Подавляющее большинство ВЭУ выполняются сегод­ня по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продол­жаются.

Рассмотрим основные недостатки ВЭУ:

• некоторые типы ветроколес создают мощные звуко­вые колебания низкой частоты, неблагоприятно влияю­щие на здоровье людей;

• вращающиеся металлические лопасти препятствуют свободному распространению радиоволн, что затрудняет прием телепередач;

- вращающиеся лопасти сбивают пролетающих птиц, вследствие чего увеличивается вероятность распростра­нения инфекционных заболеваний.

Существуют две основные тенденции развития ВЭС. Первая базируется в основном на создании крупных одноагрегатных ветроэнергетических станций. В соответ­ствии со второй, считается более экономичным путь со­оружения многоагрегатных ВЭС, состоящих из 10-15 уста­новок небольшой единичной мощности.

Существенным недостатком энергии ветра является непостоянство и изменение направления. Этот недоста­ток можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объеди­нить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то сред­няя их мощность будет постоянной.

При дальнейшем развитии и совершенствовании кон­струкции ветроэнергетических установок предполагает­ся расширение их производства и использования. В тех­ническом отношении совершенствование агрегатов пой­дет по пути увеличения коэффициента использования энергии ветра за счет улучшения аэродинамических про­филей лопастей и аэродинамики конструкции. В целом энергосбережение на основе ВЭС зависит от возможнос­тей снижения стоимости и металлоемкости двигателей и повышения их надежности.

Одним из важных вопросов в проблеме развития вет­роэнергетики является оптимальное сочетание использо­вания ВЭС с энергоустановками других типов. В этом случае ВЭС выступает как энергоустановка, позволяющая экономить органические энергоресурсы. Важным явля­ется ликвидация отрицательных экологических послед­ствий, которые возникли бы в процессе использования органического топлива при выработке электроэнергии на замещаемой традиционной установке, а также всех отри­цательных экологических факторов, связанных с добы­чей органического топлива, его переработкой и транспор­тировкой к местам использования.

Сегодня, например, Великобритания с помощью при­брежных ветряных установок намерена в течение семи лет стать крупнейшим производителем ветроэнергии в мире. Согласно планам правительства, с помощью ветра в стране к 2010 году будет вырабатываться 5 % всей элек­троэнергии. Вблизи западного, восточного и юго-восточ­ного побережий острова планируется возвести комплек­сы из ветряных двигателей. На каждом из этих участков будет установлено до 300 ВЭУ высотой 80 м, которые бу­дут находиться на удалении от 5 до 13 км от берега. В результате осуществления проекта выбросы углекис­лого газа в атмосферу сократятся на 15 млн т в год, что важно для оздоровления экологической обстановки и со­блюдения страной условий Киотского протокола. Сейчас крупнейшими мировыми производителями электроэнер­гии с помощью энергии ветра являются США, Германия, Дания и Нидерланды.

Энергия морей и океанов.

В Мировом Океане и морях скрыты колоссальные за­пасы энергии. Океан таит в себе несколько видов энер­гии: энергию приливов и отливов, океанических течений, термальную энергию и др. Так, тепловая энергия, соответ­ствующая перегреву поверхностных вод океана по сравне­нию с донными на 20 °С, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанических течений оценивает­ся величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако сегодня исполь­зуются лишь ничтожные доли энергии, запасенной в оке­ане. Установки по преобразованию энергии морей и оке­анов в электрическую, разработанные несколько десяти­летий тому назад, требовали очень больших и медленно окупающихся капиталовложений. В настоящее время, при быстрорастущих ценах на энергоносители и современных достижениях науки и техники, использование энергии морей и океанов становится все более привлекательным.

Наиболее очевидным способом использования океа­нической энергии является постройка приливных элект­ростанций (ПЭС). Приливные колебания уровня воды в огромных океанах планеты вполне предсказуемы и свя­заны с гравитацией Луны на водные массивы Земли. Ос­новные периоды этих колебаний - суточные и полусуточ­ные. Высота прилива у берегов достигает 18 м. Преобра­зование энергии приливов использовалось еще в средне­вековой Англии и Китае для приведения в действие срав­нительно маломощных устройств. Из ПЭС наиболее хо­рошо известны крупномасштабная электростанция во Франции, построенная в 1967 г. в устьях реки Ране, мощ­ностью 240 МВт, и небольшая опытная станция мощнос­тью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря.

Также огромное количество энергии можно получать от морских волн. В основе работы волновых энергетичес­ких станций лежит воздействие волн на рабочие элемен­ты устройства. Движущиеся элементы конструкции мо­гут быть выполнены в виде поплавков, маятников, лопас­тей, оболочек и т. п. Механическая энергия их перемеще­ний с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, мая­ков, научных приборов. Попутно крупные волновые стан­ции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии рабо­тает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая элект­ростанция мощностью 850 кВт. Самая мощная действую­щая волновая энергетическая установка «Каймей» с пнев­матическими преобразователями была построена в Япо­нии в 1976 г. Она использует волнение моря высотой до 6-10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м, водоизме­щением 500 т установлены 22 воздушных камеры, от­крытые снизу. Общая мощность установки 1 МВт.

Создание волновых электростанций определяется оп­тимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Опыт эксплуатации существу­ющих установок показал, что вырабатываемая ими элек­троэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

Геотермальная энергия.

Тепловая энергия, выделяемая при извержении вулка­нов, гейзеров и горячих источников, известна человечеству уже много тысячелетий, но интенсивное ее использование стало возможным лишь благодаря появлению соответству­ющих технических средств во второй половине XX века.

Под общими ресурсами геотермальной теплоты обыч­но понимают всю теплоту, запасенную земными порода­ми. Говоря об источниках геотермальной энергии, следу­ет различать два принципиально разных случая. К пер­вому случаю относятся так называемые гидротермаль­ные источники, представляющие в природе подземные запасы горячей воды или пара с температурой от несколь­ких десятков до 300-350 °С. Второй случай - это так на­зываемые петротермалъные источники, связанные с теп­лотой сухих горных пород.

Использование тепла Земли для производства элект­роэнергии представляет большой интерес. Первая успеш­ная попытка использовать геотермальную энергию для производства электричества была осуществлена в Италии в 1904 году, где в паротурбинном цикле стали использо­вать выходящий из земли сухой пар. Сегодня в 120 км от Сан-Франциско в США работает геотермальная стан­ция мощностью 500 тыс. кВт. Предполагается, что в бли­жайшем будущем вырабатываемая геотермальными элек­тростанциями энергия будет стоить дешевле энергии, по­лучаемой традиционными способами. При этом пробле­ма загрязнения окружающей среды не встает в таком масштабе, как это имеет место при использовании ТЭС.

Подобно солнечной энергии, энергия тепла Земли пер­воначально использовалась для отопления и горячего во­доснабжения. Опыт эксплуатации геотермальных систем для теплоснабжения имеется в некоторых странах. На­пример, полуостров Камчатка, Закавказье, прикарпатские области Украины обладают значительным потенциалом геотермальных ресурсов.

Особенно сложной и пока недостаточно изученной пред­стает проблема использования петротермальной энергии.

Для получения теплоты от сухих горных пород в них необходимо создать трещины или пористую структуру. Обсуждается гидравлическое раздробление пород путем закачки в специально пробуренную скважину большого количества воды под очень высоким давлением.

В настоящее время общая мощность геотермальных электростанций (ГеоТЭС) мира составляет более 1000 МВт, однако в последние годы в этой области достигнут суще­ственный прогресс. ГеоТЭС по компоновке, оборудованию, эксплуатации мало отличается от традиционной ТЭС. Относительно большие размеры турбинного оборудования ГеоТЭС, связанные с большим удельным объемом пара низких параметров, компенсируются отсутствием котель­ного оборудования. Геотермальная энергия может исполь­зоваться не только для производства электроэнергии, но и в целях отопления и горячего водоснабжения. В после­днем случае ее использование вполне конкурентоспособ­но в сравнении с котельными на органическом топливе. Так, столица Исландии - Рейкьявик, в которой прожива­ет половина населения страны, отапливается только за счет подземных горячих источников.