1. Режимы теплообмена в нагревательных и плавильных печах.

2. Энергосбережение при производстве энергии на основе возобновляемых источников.

Возобновляемый энергетический ресурс (ВИЭ) - постоянно действующие или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов.

Основные виды: солнечное излучение (перспективный ВИЭ по прогнозам МЭК), энергия планетарного движения в виде приливов и отливов, энергия химических реакций и радиоактивного распада в недрах Земли в виде геотермальных источников, преобразованная энергия Солнца в виде гидроэнергии (перспективный ВИЭ), энергии ветра (перспективный ВИЭ) и биомассы (главенствующая роль по прогнозам МЭК), мускульная сила животных и человека.

Аккумулирование энергии. В связи с тем что потоки энергии от большинства возобновляемых источников по­ступают непостоянно, могут возникнуть трудности с бес­перебойным снабжением энергией потребителей. Надеж­ность энергоснабжения повышается с использованием ак­кумуляторов энергии.

Аккумулирование энергии основано на химических и физических принципах.

Химические принципы аккумулирования энергии поз­воляют накапливать энергию за счет химических реак­ций, физические принципы - за счет физических явлений (рис. 3.21).

Рис. 321. Аккумуляторы энергии, основанные на химических и физи­ческих принципах работы

Химические принципы аккумулирования энергии мо­гут включать биохимические реакции под действием по­тока лучистой солнечной энергии, что составляет основу фотосинтеза, в результате которого образуются органи­ческие вещества растений, аккумулирующие солнечную энергию. За счет прямого или косвенного употребления растений в пищу энергия аккумулируется в животных. Растения используются в качестве топлива, а животные могут совершать механическую работу. Природные энер­гетические ресурсы в виде ископаемого топлива также яв­ляются аккумуляторами солнечной энергии.

При проведении экзотермических реакций выделяется саккумулированная теплота, которая может использоваться как полезная в технологических процессах. На основе элек­трохимических реакций проводится аккумулирование энер­гии в гальванических элементах многоразового и одноразо­вого пользования. К элементам многоразового пользования относятся кислотные и щелочные аккумуляторы, выдержи­вающие циклы разрядки и зарядки. Областью их примене­ния являются энергетика, транспорт, ветроэнергетические и солнечные установки, не подключенные к централизован­ной электрической сети. Одноразовые гальванические эле­менты используются как источники питания в электронных и электротехнических устройствах.

Перспективным направлением является получение водорода на основе электролиза воды в присутствии H₂SO₄ или NaOH. Водород - экологически чистое топливо, при сгорании которого выделяется вода. Высшая теплота сгорания водорода равна 12,72, а низшая - 10,8 МДж/м³. Он может храниться под давлением с максимальным зна­чением 150 атм. Фактическое значение давления опре­деляется потребителем. Водород может непосредственно преобразовываться в электрическую энергию в топливных водородно-кислородных элементах, использоваться для по­лучения теплоты путем сжигания, а также для совершения механической работы с помощью мотор-генераторов. В ка­честве топлива водород может быть использован аналогично природному газу.

Физические принципы аккумулирования энергии поз­воляют аккумулировать как теплоту, так и механическую энергию.

В тепловых аккумуляторах физической теплоты на основе воды или других однофазных веществ температура в процессе накопления и отдачи теплоты изменяется во времени. Использование в качестве рабочих некоторых веществ, изменяющих свое агрегатное состояние, позволяет поддерживать температуру постоянной, соот­ветствующей температуре фазового перехода. Например, к таким веществам относятся парафин, кристаллический сульфат натрия Na₂SO₄ּ10H₂O (глауберова соль) и др. Так, глауберова соль под действием подводимой теплоты при температуре 32,3 °С переходит в насыщенный раствор Na₂SO₄ с осадком. Эта реакция сопровождается погло­щением теплоты в количестве 650 МДж/м³.

Достоинством последних аккумуляторов является их малый объем. Еще более компактны тепловые аккумуля­торы на основе обратимых химических реакций рабочего вещества. Пока эти аккумуляторы не нашли широкого применения из-за технических трудностей и по экономи­ческим соображениям.

Аккумулирование механической энергии проводится с помощью гидроаккумуляторов. Например, на гидроакку­муляторных электрических станциях, где имеется избы­ток электрической энергии, вода после отработки в турбине насосами перекачивается в водохранилище, что позволяет поддерживать достаточный ее уровень (напор) на протяжении всего года. Инерционные аккумуляторы, преобразующие работу в кинетическую энергию для даль­нейшего ее использования, пока не нашли широкого при­менения из-за высокой стоимости и нерешенных технических проблем. Упругие аккумуляторы находят применение в системах сжатого воздуха.

В общем случае аккумулирование энергии позволяет обеспечить:

• бесперебойное энергоснабжение потребителей за счет накопления избыточной энергии и последующего ее использования в периоды отсутствия или недостатка энерго­снабжения;

• оптимальные режимы работы источников энергии и потребителей за счет сглаживания колебаний в электросети;

• повышение потенциала энергии до необходимого ка­чества при накоплении низкопотенциальной энергии;

• превращение энергии одного вида в другой в зависи­мости от нужд потребителей.

Комбинированные системы тепло- и электроснаб­жения. Бесперебойное энергоснабжение потребителей на основе возобновляемых источников наиболее эффективно может быть осуществлено не только с использованием ак­кумуляторов энергии, но и на основе комбинированных схем. Рассмотрим одну из возможных схем комбиниро­ванного энергоснабжения (рис. 3.22).

Источником электроэнергии в данной схеме служат ВЭУ и фотобатарея. Электрохимический аккумулятор служит буфером для выравнивания колебаний тока, полу­ченного с помощью ветрогенератора.

Аналогичная энергосистема была смонтирована и про­шла испытания на полигоне Национальной академии наук Украины. Она полностью обеспечивала энергией пот­ребности одноквартирного дома площадью 50 м² и объемом 188 м³ при расчетной результирующей температуре помещения 19 °С и нормативной температуре наружного воздуха для зимы - 21 °С. Тепловой насос с коэффициен­том преобразования больше 2 использовался в отопитель­ный период. Успешность проведенных испытаний позво­лила рекомендовать данную систему к промышленному использованию.

Вместе с тем проектированию различных, в том числе и комбинированных, систем энергоснабжения на основе во­зобновляемых энергетических источников должен пред­шествовать мониторинг потенциала и экономически обос­нованных предпосылок их внедрения в конкретных усло­виях.

Рис. 3.22. Схема комбинированного энергоснабжения одноквартирного жилого дома

Билет 14.