Основные понятия и определения

12

Рис. 1.1. Схемы процессов использования возобновляемой и невозобновляемой

энергии:

АБВ — неиспользуемый поток возобновляемой энергии; ГДЕ — используемый поток

Энергии

в связанном состоянии и высвобождается в результате целе­направленных действий человека. Вместо не совсем удобного термина «невозобновляемый» мы часто будем использовать тер­мин «истощаемый».

Схемы на рис. 1.1 поясняют смысл данных определений. В табл. 1.1 приведены сравнительные характеристики тради­ционных энергетических установок и установок на возобнов­ляемых источниках энергии.

Источники энергии. Существует пять основных источников энергии:

1. солнечное излучение;

2. движение и притяжение Солнца, Луны и Земли;

3. тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в ее недрах;

4. ядерные реакции;

5. химические реакции различных веществ.

Источники 1—3 являются источниками возобновляемой энергии. Источниками невозобновляемой энергии являются 1 (топливо на основе окаменелых органических соединений),

2. (горячие горные породы), 4 и 5.

Энергия вокруг нас. Окружающее нас пространство непре­рывно пронизывается потоками энергии от различных источни­ков (рис. 1.2). Например, полный поток солнечного излучения, падающего на Землю, равен 1,2 -10¹⁷ Вт, т. е. на одного человека приходится около 30 МВт, что равно мощности 10 крупных

13

Характеристики

энергосистемы

На возобновляемых источниках энергии

На истощаемых источниках энергии

Примеры источника Местонахождение

Естественная форма су­ществования

Начальная интенсивность

Время истощения Стоимость потребляемой энергии

Стоимость оборудования

Стабильность и управ­ляемость

Ограничения для исполь­зования Размеры

Научные основы исполь­зования источников

Области применения

Безопасность эксплуата­ции

Автономность

Влияние на окружа­ющую среду

Эстетичность

Ветер, солнце, приливы Окружающая природная среда

Потоки энергии

Низкая интенсивность, рас­сеянная энергия с плот­ностью 300 Вт/м² и меньше Бесконечное Бесплатно

Высокая, примерно 2000 долл. за 1 кВт установ­ленной мощности Стабильность выходной мощности низкая, лучший метод управления — управ­ление нагрузкой с прямой связью

Особенности местных усло­вий и спроса на энергию Небольшие системы эконо­мичны, в больших возни­кают трудности Широкий диапазон различ­ных областей науки и техни­ки, в том числе биологиче­ской и сельскохозяйствен­ной науки

Сельскохозяйственное про­изводство

Во время работы есть опас­ные зоны, в выключенном состоянии обычно безопасны

Самообеспечены источника­ми энергии

Обычно небольшое, особен­но на небольших установках

Обычно достаточно эстетич­ны, хотя возможны исклю­чения

Уголь, нефть, газ Сосредоточенные место­рождения

Потенциальная, связан­ная энергия

Высокая интенсивность до 100 кВт/м² и выше

Конечное

Непрерывно возрастает, (более 0,01 долл. США за 1 кВт-ч)

Средняя, примерно 500 долл. за 1 кВт

Стабильность высокая, лучший метод управле­ния — управление расхо­дом с обратной связью

Без ограничений

Крупные системы обычно предпочтительнее

Узкий диапазон, в основ­ном электротехника и ме-

Промышленность

Без специальных мер за­щиты опасность высокая, особенно при холостом режиме

Зависят от поставок топ­лива

Как правило, окружа­ющая среда загрязняет­ся, особенно воздух и вода

Эстетичны только срав­нительно небольшие установки

дизель-электрогенераторов. Максимальная плотность потока сол­нечного излучения на Земле достигает 1 кВт/м².

Представленные на рис. 1.2 глобальные данные, конечно, не представляют большой ценности для практики, так как возмож­ность использования того или иного источника возобновляемой

14

Энергия/^^\Погло- ^0ш*^а(Солнечое\^*

Излучение 6 космичес- кое пространство б инфракрасном диапазоне

Установки сол - ,» нечной энергетики и преобразователи *4

тепловой энергии океана

Гидроэнергети- .

чес кие установки }

движе­

ния

Волно-и ветро установки

Биотопливо

Геотермальные

установки

Приливные

станции

Рис. 1.2. Возобновляемые источники энергии и их использование. Числа обозна­чают мощность источника в тераваттах (10¹² Вт). Следует обратить внимание на большое различие в мощности источников (1:10⁵) и на доминирующую роль

солнечного излучения

энергии очень сильно зависит от местных условий. Например, в равнинных регионах, подобных Дании, трудно рассчитывать на использование гидроэнергетических ресурсов, но возможно раз­витие ветроэнергетики, а в смежных с ней районах, например в Норвегии, гидроэнергетические ресурсы велики. Тропические леса могут служить основой для биоэнергетики, а пустыни, рас­положенные на этой же широте, таким источником энергии не располагают. Таким образом, энергетика на возобновляемых источниках должна ориентироваться прежде всего на местные природные особенности.

От источников энергии к потребителям. Все энергетические системы можно представить в виде электрической цепи, по которой энергия различных источников передается потребителю и в которой она преобразуется в удобную для него форму. На рис. 1.3, а представлена ленточная диаграмма энергетической системы. Поперечные срезы такой диаграммы позволяют пред­ставить графически структуру используемых источников энергии и потребителей (рис. 1.3,6, в).

Принципы планирования энергетики. При планировании энергетики следует придерживаться следующих принципов.

1. Совершенная энергетическая система должна наиболее полно учитывать особенности источников энергии и ее потребите­лей. К сожалению, о потребителе часто забывают, и поэтому

15

Преобразователи

Потребители

Транспорт 20°/о

М°/о

Бытобое потребление

Промыт - ленность

W°/o

Потери 1 8°/о

Всего: 100 °/о

*)

Дрова: 30 Уголь: Z5

Производство: 670 • 10¹⁵Дм/под

(*21000 МВт) б)

Потребление: 620-10¹⁵Дж/год

Рис. 1.3. Структура энергетики Норвегии (1980 г.): ленточная (а) и круговая (б) диаграммы. Использованы округленные статистические данные. Население Норвегии — 4 млн. человек. Следует обратить внимание на большое значение гидроэнергетики в общем объеме энергетики страны, а также малое в срав­нении с большинством промышленно развитых стран производство электроэнергии и связанные с этим малые потери энергии

оказываются плохо увязанными его потребности и возможности источников энергии. Это приводит к неэкономному расходованию энергии и ее потерям. Например, если большая часть энергии в быту расходуется на отопление и нагрев воды, то, наверное, неразумно использовать для этих целей электроэнергию тепловых электростанций, теряя очень много тепла при выработке электро­энергии, чтобы затем снова превратить ее в тепло. В этом случае более экономичным может оказаться непосредственное снабже­ние потребителя теплом. На этом основан принцип комбиниро­ванного энергоснабжения, реализуемый, например, на ТЭЦ.

2. Расчеты, использующие эффективность или коэффициент полезного действия энергетической системы, наиболее полно рас­крывают ее возможности и позволяют избежать ненужных потерь энергии. Под эффективностью или КПД системы здесь понимается отношение полезной энергии на выходе системы ко всей энергии, затраченной на ее производство. Рассмотрим это на примере энергетической системы, в которой электроэнергия

16