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.

3. 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.

3. Научные принципы использования возобновляемых источнников энергии

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

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 м^0,5 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.

1. 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%.

2. 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%.

3. 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