Дж.Твайделл А.Уэйр

ОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ

ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

Дж.Твайделл А.Уэйр

Возобновляемые источники энергии

Перевод с английского под редакцией В. А. Коробкова

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1990

ББК 31.15 Т 26 УДК 620.92

Рецензенты В. И. Виссарионов, В. А. Коробков

John W. Twidell and Anthony D. Weir RENEWABLE ENERGY RESOURCES London: E. & F. N. Spon, 1986

Твайделл Дж_м Уэйр A. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ.—М.: Энергоатомиздат. 1990.—392 с.: ил.

ISBN 5-283-02469-5 (рус.)

Книга представляет собой введение в научно обоснованный анализ возможностей природных источников возобновляемой энергии. Вопросы использования солнечной энергии и ее производных, приливной энергии и тепловой энергии недр пла­неты рассмотрены в связи с фундаментальными физическими процессами.

Для инженерно-технических работников, приступающих к работам по программам использования возобновляемых источ­ников энергии

2201000000-353 _ББК 31.15

051(01)-90

ISBN 5-283-02469-5 (рус.) © J. W Twidell and A. D. Weir, 1986

ISBN 0-419-12000-9 (англ.) © Перевод на русский язык,

Энергоатомиздат, 1990

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Без преувеличения можно сказать, что история развития общества — это и история энергетики, причем первыми источни­ками энергии для преобразовательной деятельности человека были именно возобновляемые источники энергии — мускульная сила животных, ветер, реки, приливы. Затем в ход пошли запасы ископаемого топлива и в частности ядерное горючее. Постоянно растущие потребности в энергии так или иначе удовлетворялись за счет вовлечения новых ресурсов," совершенствования техноло­гии переработки топлива, совершенствования потребления. И вот здесь, когда казалось, что перспективы ставшей традиционной энергетики на ископаемом топливе (именно оно в настоящее время является основным источником энергии) достаточно устойчивы, в нарастающем темпе стали проявляться связанные с ней негативные эффекты: тепловое, химическое, радиоактив­ное загрязнение среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов топлива, особенно нефти, газа, высоко­качественного угля. Правда, есть еще новые, во много раз более экономичные способы переработки урана, есть, наконец, возмож­ность создания термоядерных преобразователей, которые должны позволить решить проблему снабжения человечества энергией на тысячелетия, но это не снимет проблем теплового загрязне­ния, проблем хранения отходов, проблем возможных аварий энергетических гигантов.

Именно здесь диалектика жизни вновь повернула нас лицом к источникам возобновляемой энергии, природа которых опреде­ляется процессами на Солнце и в глубинах Земли, гравитацион­ным взаимодействием Солнца, Земли и Луны. По оценкам спе­циалистов оказалось, что только за счет извлечения доступной части энергии, постоянно возобновляющейся в Мировом океане путем образования градиентов температур и соленостей, волн, течений, приливов, можно получать примерно в 10 раз больше энергии, чем сейчас дают ежегодно «сжигаемые» 10 млрд. т условного топлива. А ведь есть еще собственно излучение Солн­ца, есть ветры, есть глубинное тепло Земли. Даже активные сторонники опережающего развития ядерной энергетики в своих прогнозах на конец XXI в. «отдают» возобновляемой энергии

з

не менее 18% общего потребления, а это примерно столько, сколько сейчас человечество получает за счет ископаемого топ­лива.

Возобновляемые источники энергии привлекают своей относи­тельной экологической чистотой, принципиальной возможностью создать на планете общество, живущее в равновесии со сре­дой, возможностью распределения преобразователей самого раз­личного масштаба и назначения по всей планете. В перспек­тиве это позволит даже управлять климатом, что немаловажно, если учесть энергозатраты, идущие на преодоление последствий стихийных бедствий, на отопление жилищ, на получение пищи. Но чтобы использование возобновляемой энергии вышло на требуемый уровень, необходимо совершить революцию в наших представлениях* о соответствующих источниках, создать в обще­стве предпосылки к широкому внедрению соответствующих устройств, подготовить специалистов, которые могли бы не толь­ко разрабатывать такие устройства, но правильно эксплуати­ровать их.

И вот перед нами одна из новых книг по этому вопросу. Книга несколько необычная. Книга — учебник, книга — введение в новую чрезвычайно широкую специальность, по которой еще не выпускает инженеров ни один вуз страны. Ее отличительная особенность — масштабный охват явлений, лежащих в основе создания соответствующих преобразователей энергии. В то же время в ней не отдается предпочтение каким-то определенным преобразователям, нельзя сказать даже, что она полностью опи­сывает всевозможные виды источников возобновляемой энергии. Внешне бесстрастная, она позволяет получить общее представ­ление о теории, лежащей в основе создания широкого класса устройств, но делает это так, что сразу хочется что-то изо­брести, что-то применить у себя дома или на работе.

Книга состоит из шестнадцати глав, пять из которых носят обобщенный характер и практически относятся ко всем видам источников. Глава 1 посвящена принципам энергетики на возоб­новляемых ресурсах. Здесь не только даны необходимые опре­деления, но и проведен сравнительный анализ различных видов возобновляемых и невозобновляемых ресурсов по их специфи­ческим свойствам (интенсивность, локализация, постоянство во времени, безопасность, экологичность и т. д.). Наряду с науч­ными принципами разработки источников такой энергии рас­сматриваются общетехнические и социальные моменты, связан­ные с ее использованием. В частности, отмечается то обстоя­тельство, что развитие технологии возобновляемой энергии должно привести к выравниванию обеспеченности энергией райо­нов с различной плотностью населения, в том числе и трудно­доступных, а это приведет к глубокой перестройке стиля энер­гопотребления.

4

Главы 2—4 знакомят читателя с необходимыми для пони­мания вопроса сведениями из механики жидкости, теплопере- носа, с физикой распространения солнечного излучения. Здесь раскрыты основные понятия, приведены наиболее часто исполь­зуемые соотношения, объяснены основные физические законы, лежащие в основе новой энергетики. С помощью наглядных примеров показано, как эти соотношения можно применять для численных оценок. Здесь сразу следует оговориться, что мате* матический аппарат книги предельно упрощен. Это приближает ее к широкому читательскому кругу, сводя изначальные зна­ния, необходимые для понимания материала, к получаемым на первом курсе любого технического вуза. Поэтому когда по ходу изложения авторам требуются более сложные математические выкладки, они предпочитают давать качественные объяснения. Так они поступают, например, вводя понятие турбулентности или описывая различные виды теплообмена.

Главы 5—7 посвящены преобразованию солнечной энергии в технических системах. Здесь рассмотрены основные способы на­гревания воды — от непосредственного поглощения излучения свободной водной поверхностью до реализации систем со слож­ными многослойными покрытиями, препятствующими как отра­жению коротковолновой части спектра, так и выходу наружу .преобразованного длинноволнового излучения. Интересны и на­глядны приведенные здесь электрические аналогии процессов, происходящих при различных способах нагревания. Много вни­мания уделено способам кондиционирования, дистилляции, сушки — процессам, имеющим большое значение в производ­ственной деятельности и требующим больших затрат энергии. Рассмотрены способы накопления тепла в солнечных прудах, различные концентраторы излучения, термохимические преобра­зователи. При описании принципов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводнико­вых систем особое внимание уделено физике процессов, принци­пиальным и технологическим ограничениям, связанным с исполь­зованием таковых.

В гл. 8 и 9 приведено описание наиболее традиционных отраслей использования возобновляемых источников энергии — гидро- и ветроэнергетики. Детальность описания здесь различна. Если в главе о гидроэнергетике лишь упоминается о совре­менных крупных гидроэлектростанциях, а основное внимание уделяется малым ГЭС, то при описании ветроэнергетики авторы стараются дать наиболее полную сводку сведений, рассмотреть теоретические и практические аспекты проблемы для энергетики всех масштабов. Это связано с тем, что сейчас в мире особенно велик интерес именно к малым ГЭС, а ветроэнергетика, пере­живающая «второе рождение», занимает умы многих специа­листов, особенно в островных государствах с малыми ресурсами

5