
- •Возобновляемые источники энергии
- •Глава 16 посвящена очень важным для новой энергетики вопросам аккумулирования и передачи выработанной энергии.
- •Основы использования возобновляемых источников энергии
- •Введение
- •Основные понятия и определения
- •Энергии
- •Истощаемых источниках энергии
- •Научные принципы использования возобновляемых источнников энергии
- •Технические проблемы использования возобновляемых источников энергии
- •Энергии
- •Социально-экономические последствия развития энергетики на возобновляемых источниках энергии
- •Основы механики жидкости 2.1. Введение
- •Закон сохранения энергии, уравнение Бернулии
- •Закон сохранения количества движения
- •Вязкость
- •Турбулентность
- •Трение при течении в трубах
- •Глава 3.
- •Теплоперенос
- •Введение
- •Метод тепловой цепи и терминология
- •Теплопроводность
- •Конвективный теплообмен
- •Радиационный теплоперенос
- •Свойства прозрачных веществ
- •Теплоперенос посредством теплоносителя
- •Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь
- •Глава 4 солнечное излучение 4.1. Введение
- •Космическое солнечное излучение
- •Составляющие излучения
- •Геометрия Земли и Солнца
- •Расположение приемника относительно Солнца
- •Влияние земной атмосферы
- •Оценки солнечной энергии
- •Расчет теплового баланса, общие замечания
- •Открытые нагреватели
- •Закрытые нагреватели
- •Системы с изолированным накопителем
- •Селективные поверхности
- •Вакуумированные приемники
- •Воздух)
- •Другие применения солнечной энергии
- •Введение
- •Подогреватели воздуха
- •Зерносушилки
- •Солнечные отопительные системы
- •Охлаждение воздуха
- •Опреснение воды
- •Солнечные пруды
- •Концентраторы солнечной энергии
- •Солнечные системы для получения электроэнергии
- •Глава 7
- •Фотоэлектрическая генерация
- •Введение
- •Кремниевый р—я-переход
- •Поглощение фотонов
- •Потребляемая солнечная энергия
- •Фотоэлектрические свойства цепи и нагрузки
- •Ограничения эффективности солнечных элементов
- •Конструкции солнечных элементов
- •2 При повышении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается в таблице приведены данные для температуры окружающего воздуха
- •7.9. Фотоэмиссиоиные и термоэмиссионные системы
- •Глава 8
- •Гидроэнергетика
- •Введение
- •Основные принципы использования энергии воды
- •Оценка гидроресурсов для небольших станций
- •Активные гидротурбины
- •Реактивные гидротурбины
- •Гидроэлектростанции
- •Гидравлический таран
- •Пользуясь атласом, оцените гидроэнергетический потенциал страны или определенного района, действуя в такой последовательности.
- •Падающий на лопасти турбины Пельтона поток и отраженный образуют угол в в системе координат, связанной с лопастью. Скорость ut — тангенциаль
- •Ветроэнергетика
- •Введение
- •Классификация ветроустановок
- •Основы теории ветроэнергетических установок
- •Режимы работы ветроколеса
- •Метод линий тока
- •Характеристики ветра
- •Использование ветроколесом энергии ветра
- •Производство электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок
- •Энергия; 6 — дорогая электроэнергия
- •Производство механической работы
- •Перспективы использования вэу
- •Фотосинтез
- •Введение
- •Трофический уровень фотосинтеза
- •Фотосинтез на уровне растений
- •Клетки губчатой ткани
- •"Замыкающая клетка устьица
- •Термодинамический анализ
- •Фотофизика
- •Фотосинтез на молекулярном уровне
- •Мембраны
- •Искусственный фотосинтез
- •Глава 11
- •Биотопливо
- •Введение
- •Классификация биотоплива
- •Сжигание биотоплива для получения тепла
- •Пиролиз (сухая перегонка)
- •Другие термохимические процессы
- •Газгольдер
- •Агрохимические способы получения топлива
- •Фермер, имеющий 50 свиней, предполагает использовать их навоз для получения биогаза в качестве топлира своего автомобиля.
- •Глава 12 энергия волн 12.1. Введение
- •Волновое движение
- •Энергия и мощность волны
- •Описание реальных волн
- •Устройства для преобразования энергии волн
- •Глава 13 энергия приливов 13.1. Введение
- •Причины возникновения приливов
- •Масштабы не соблюдены
- •Усиление приливов
- •Мощность приливных течений
- •Мощность приливного подъема воды
- •Угасающие приливы
- •Перспективные районы строительства приливных электростанций
- •Глава 14 преобразование тепловой энергии океана 14.1. Введение
- •Теплообменники
- •Требования к насосным агрегатам
- •Другие практические соображения
- •Глава 15 геотермальная энергия
- •Введение
- •Геофизика
- •Анализ свойств сухих горных пород и естественных водоносных пластов
- •Использование геотермальных ресурсов
- •Аккумулирование и передача энергии на расстояние 16.1. Значение процессов аккумулирования и передачи энергии
- •Биологическое аккумулирование
- •Химическое аккумулирование
- •Аккумулирование тепла
- •Аккумулирование электроэнергии: свинцово-кислотные батареи
- •1 Моль рь 207 г
- •Моль рьОг 239 г
- •Моля h2so4 196 г
- •Топливные элементы
- •Механическое аккумулирование
- •Передача энергии
- •Список рекомендуемой литературы
- •Оглавление
- •Глава 8. Гидроэнергетика 176
- •Глава 9. Ветроэнергетика 195
- •Глава 10. Фотосинтез 243
- •Глава 11. Биотопливо 266
- •Глава 12. Энергия волн 297
- •Глава 13. Энергия приливов 318
- •Глава 14. Преобразование тепловой энергии океана 336
- •Глава 15. Геотермальная энергия 348
- •Глава 16. Аккумулирование и передача энергии на расстояние 360
- •Твайделл Джон, Уэйр Антони Возобновляемые источники энергии
тепловой
электростанции используется только
для освещения, Эффективность или КПД
различных этапов преобразования энергии
топлива в энергию видимого излучения
осветительных ламп можно оценить так:
производство электроэнергии — 30%,
передача и распределение электроэнергии
— 90%, преобразование электроэнергии
в излучение видимого диапазона — 5%. В
результате полный КПД 1,4%. Если же для
освещения использовать энергию ТЭЦ,
вырабатывающую электроэнергию и тепло
(КПД ~80%), и экономичные современные
осветительные лампы (КПД~20%), то полный
КПД составит 14%, т. е. в 10 раз выше.
Экономически более совершенная
энергетическая система будет, как
правило, более выгодной, несмотря на
большие удельные капитальные затраты,
вследствие меньшего расхода топлива
и большего срока службы оборудования,
особенно электроламп.
Повышение
эффективности энергосистемы и
экономических показателей ее работы
во многом зависит от искусства
управления ею. Ни при каком источнике
энергия не достается даром, и на практике
энергия возобновляемых источников
обычно гораздо дороже, чем принято
считать, поэтому никогда не могут быть
оправданы бесполезные ее затраты.
Из
приведенных в § 1.2 определений
возобновляемых и истощаемых источников
энергии видно принципиальное различие
между ними, поэтому эффективно
использовать возобновляемые источники
энергии можно только на основе научно
разработанных принципов использования
этой энергии.
Анализ
возобновляемых энергоресурсов. Очень
важно усвоить, что в окружающем нас
пространстве всегда существуют потоки
возобновляемой энергии и энергетика
на возобновляемых источниках энергии
должна ориентироваться только на эти
уже существующие энергоресурсы, а не
ставить себе целью создание новых.
Чтобы подчеркнуть этот момент, на одной
из конференций по проблемам
использования возобновляемой энергии
в столице Фиджи был представлен в
качестве шутки расчет поголовья
свиней, необходимого для обеспечения
биотопливом энергоустановки, питающей
целый город. Таким образом, очевидно,
что в расчетах надо исходить из уже
имеющегося количества биотоплива
при существующей животноводческой
базе, а не наоборот. Отсюда следует, что
прежде чем развивать энергетику на
возобновляемых источниках, необходимо
точно определить их мощность. Это
требует регулярных и длительных
наблюдений и анализа параметров
этих источников. Например, на рис. 1.1
необходимо сначала оценить располагаемый
поток
17
Научные принципы использования возобновляемых источнников энергии
Прямое солнечное из |
24 ч, 1 годIОблученность (Вт/м2), угол |
Р ~ Gb cos 0г, макси |
I Только в дневное время |
I (4.2) |
|
лучение |
|
|падения излучения |
мум 1 кВт/м2 |
|
|
Рассеянное солнечное |
124 ч, 1 год |
I Облачность |
|Ж G; Р<300 Вт/м2 |
IТем не менее энергия зна |
(4.3) |
излучение |
|
|
|
чительна |
|
Биотопливо |
1 год |
Качество почвы, облучен |
Связанная энергия |
Очень много видов топ |
Табл. И |
|
|
ность, вода, специфика топ |
10 МДж/кг |
лива, источники — лес |
|
|
|
лива, расходы |
|
ное и сельское хозяйство |
|
Ветер |
1 год |
Скорость ветра, высота над |
Р |
Флуктуирует |
(9.2) |
|
|
земной поверхностью |
uz/u t~(z/ti)b |
6 ж 0,15 |
(9.54) |
Волны |
1 год |
Амплитуда волны Нь, ее пе |
Р~Н\Т |
Высокая плотность энер |
(12.46) |
|
|
риод Т |
|
гии (~ 50 кВт/м) |
|
Гидроэнергия |
1 год |
Напор //, объемный расход |
Р~ HQ |
Искусственно создавае |
(8.1) |
|
|
воды Q |
|
мый источник |
|
Приливы
Тепловая
энергия
12
ч 25 мин
Постоянные
параметры
Высота
прилива R,
площадь бассейна А,
длина эстуария L, глубина
эстуария h
Разность
температуры воды на поверхности и на
глубине ЛГ
Р
~ (АТ)2
Увеличение
высоты прилива, если .L/^Jh
имеет значение 36400 м0,5
Ряд
районов в тропиках. Низкая эффективность
преобразования энергии
(13.35)
(13.28)
(14.4)
энергии
АБВ,
а уже потом определять ту его часть,
которая может быть использована в
энергоустановках.
Временные
характеристики возобновляемых источников
энергии. Потребности
в энергии, как правило, не постоянны во
времени. Например, потребность в
электроэнергии максимальна в утренние
и вечерние часы и минимальна в ночное
время. Традиционные тепловые
электростанции могут подстраиваться
под эти колебания спроса на энергию,
регулируя расход топлива. При использовании
же возобновляемых источников энергии
колеблется не только спрос на энергию,
но и мощность этих источников, поэтому
работающие на этих источниках
энергоустановки должны учитывать оба
эти фактора (Г
и Д
на рис. 1.1), которые часто противоречат
друг другу. Более подробно эти вопросы
рассматриваются в последующих главах.
В табл. 1.2 представлены основные
параметры, определяющие мощность
различных источников возобновляемой
энергии, и характерные периоды ее
флуктуаций, которые, впрочем, могут
очень сильно зависеть от местных
особенностей. Источники энергии в табл.
1.2 расположены в порядке возрастания
регулярности колебаний их мощности:
от крайне нерегулярных (ветер) до строго
регулярных (приливы). Регулярность
солнечной энергии очень сильно зависит
от географического положения и высока,
например, в Хартуме и низка в Глазго.
Качество
источника энергии. О
качестве источников энергии говорят
часто, но, как правило, не поясняют, что
же это такое. Мы под качеством источника
энергии будем понимать долю энергии
источника, которая может быть превращена
в механическую работу. Например,
электроэнергия обладает высоким
качеством, так как с помощью электродвигателя
более 95% ее можно превратить в механическую
работу. Качество тепловой энергии,
выделяющейся при сжигании топлива на
традиционных тепловых электростанциях,
довольно низкое, потому что только
около 30% теплотворной способности
топлива превращается в конечном
счете в механическую работу. По этому
признаку возобновляемые источники
энергии можно разделить на три группы.
Источники
механической энергии, как, например,
гидро- ветро-источники, волновые и
приливные. В целом качество этих
источников энергии высокое, и они
обычно используются для производства
электроэнергии. Качество ветровой
энергии — обычно порядка 30%, гидроэнергии
— 60%, волновой и приливной — 75%.
Тепловыми
возобновляемыми источниками энергии
являются, например, биотопливо и
тепловая энергия солнца. Максимальная
доля тепла таких источников, которая
может быть превращена в механическую
работу, определяется вторым законом
термодинамики. На практике превратить
в работу удается
19
примерно
половину тепла, допускаемого вторым
законом. Для современных паровых турбин
эта величина (качество тепловой энергии)
не превышает 35%.
Источники
энергии на основе фотонных процессов,
к которым относятся источники,
использующие фотосинтез (гл. 10) и
фотоэлектрические явления (гл. 7).
Например, с помощью фотоэлектрических
преобразователей солнечное излучение
определенной частоты можно с высокой
эффективностью преобразовать в
механическую работу. Добиться высокой
эффективности преобразования
энергии во всем спектре солнечного
излучения очень трудно, и на практике
КПД фотопреобразователей, равный 15%,
считается хорошим.
Рассеянная
энергия или энергия низкой плотности.
Возобновляемые
и истощаемые источники энергии очень
сильно различаются по характерной
для них начальной плотности потоков
энергии. Для возобновляемых источников
энергии эта величина — порядка 1
кВт/м2 (например, плотность потока
энергии солнечного излучения, ветра
при скорости около 10 м/с), для
невозобновляемых источников она на
несколько порядков выше. Например,
тепловая нагрузка в трубах паровых
котлов — порядка 100 кВт/м2, а в
теплообменниках ядерных реакторов —
несколько мегаватт на 1 м2.
Потребители энергии, за редким
исключением, как, например, цеха
рафинирования металла, используют у
себя гораздо меньшие плотности потоков
энергии.
Из-за
большого различия плотностей потоков
энергии в энергоустановках на
невозобновляемых и возобновляемых
источниках первые эффективны при
большой единичной мощности установки,
но при этом распределение энергии среди
потребителей требует больших затрат,
вторые же эффективнее при небольшой
единичной мощности, но большие затраты
требуются уже для повышения мощности
за счет объединения таких установок
в единую энергосистему.
Использование
возобновляемых энергоресурсов, как
показала практика, ускоряет
экономическое развитие сельских
районов, и, вообще, эта энергетика в
силу своей специфики соответствует
сельскому укладу жизни, а не городскому.
Комплексный
подход в планировании энергетики на
возобновляемых ресурсах. Возобновляемые
источники энергии являются неотъемлемой
частью окружающей нас среды, и их
изучение не может ограничиваться
рамками какой-то одной научной
дисциплины, скажем, физики или
электротехники. Часто рамки исследований
охватывают область от промышленной
биотехнологии до электроники и
процессов управления.
Прекрасным
примером комплексного планирования
являются некоторые агропромышленные
предприятия на Филиппинах (см. § 11.8).
Отходы животноводства и растениеводства
могут служить сырьем для производства
метана, а также жидкого и
20