МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

Кафедра електротехнічних систем електроспоживання

НЕТРАДИЦІЙНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

Конспект лекцій

з дисципліни "Нетрадиційні джерела енергії "

для студентів спеціальності 6.050701 усіх форм навчання

м. Луганськ

2012

УДК 621.577

Колесниченко С.П.

Нетрадиційні джерела енергії: Конспект лекций по дисциплине " Нетрадиційні джерела енергії" - Луганск: ВНУ им. В.Даля, 2012. - 64с.

Составлено в соответствии с учебным планом подготовки бакалавров по специальности 6.05070103 "Електротехнічні системи електроспоживання" для студентов всех форм обучения.

Пособие выполнено в соответствии с программой курса " Нетрадиційні джерела енергії ". Является кратким конспектом основных разделов.

Содержание

Лекція 1. Введение. ………………………………………............................................................. 3

Лекція 2. Энергия воздушных масс. Характеристика ресурсов. Ветроэнергетический потенциал. ……………………………......................................................................................... 12

Лекція 3. Геотермальные источники энергии. ………………………………………………….17

Лекція 4. Тепловые насосы. …………………………………………………………….............. 22

Лекція 5. Солнечная энергетика. Фотоэлектрические преобразователи. Солнечные коллекторы. Солнечные тарелки. ……………………………………………………………..... 26

Лекція 6. Солнечная энергетика. Солнечные башни. Параболические солнечные электростанции. Солнечная электростанция парник. Солнечные пруды. ............................... 30

Лекція 7. Нетрадиционные гидроэлектростанции. Использование энергии взаимодействия Земли и Луны. Приливные волны или приливы. Волновые электростанции. Энергия градиента солености. ……………………………………………………………........................ 34

Лекція 8. Нетрадиционные гидроэлектростанции. Преобразование энергии ветровых волн и зыби. Преобразование тепловой энергии океана. ...………………………................................ 34

Лекція 9. Вихревые технологии и энергетика. Вихревые тепловые насосы. Электроводородные генераторы. ……………..…...................................................................... 41

Лекція 10. Современные технологии как часть энергохозяйства будущего. Экономия энергии при производстве вяжущих материалов. Экономия энергии на осветительные нужды. Экономия энергии на отоплении и кондиционировании. ....................................................... 48

Лекція 11. Холодный ядерный синтез. ........................................................................................ 52

Лекція 12. Биологические источники энергии. ........................................................................... 55

Лекція 13. Магнитоэлектрические насосы. ................................................................................. 60

Лекція 14. Космические источники энергии. .............................................................................. 63

Лекция № 1 Введение

Издавна люди использовали различные источники энергии: солнце, ветер, тепло костра для сушки одежды, плавания по морям и океанам, для приготовления пищи и т. д. Использовалась и энергия течения рек, морских и океанских приливов и отливов. Много веков используется тепло земных недр в виде различных, естественных и рукотворных купален. Основным признаком используемой энергии была её низкая плотность. Вместе с промышленной революцией родилось концентрированное энергетическое и сырьевое хозяйство. Так появилось добывающе-энергетическое хозяйство, от которого зависела вся индустриализация. После некоторого времени региональных ресурсов стало недостаточно, необходимо было открывать новые страны, изучать их геологические возможности и развивать добычу полезных ископаемых. Но так как запасы полезных ископаемых по своей природе являются ограниченными, то сырьевое хозяйство глобализовалось быстрыми темпами. Не случайно первыми глобальными игроками стали энергетические и сырьевые предприятия. Больше чем половина всех предприятий, которые работают в глобальных масштабах, представляют сырьевую сферу. “Бритиш петролеум”, “Шелл”, Газпром и т. д. – все они являются представителями существующего в настоящее время добывающего хозяйства. Вначале это было угольное хозяйство, Кардифф в Англии, Силезия во Франции, Рур в Германии, в Польше, Донбасс на Украине, Канско-Ачинский угольный бассейн в России и т. д. В конце 19 и в 20 столетии оно расширилось на добычу нефти и газа, а затем на атомное хозяйство. Сырьевое хозяйство вначале было хозяйством металлов и минералов, а с развитием химической промышленности оно стало составляющей частью добывающего хозяйства, так как, то сырьё, которое в наибольшей мере используется в химической промышленности, происходит из добываемых энергетических источников. Идея промышленной революции зависела от добывающего ресурсы хозяйства и при дальнейшем развитии определила структуру стран третьего мира. Зависимость и специфическое влияние на промышленную революцию добывающего ресурсы хозяйства осуществлялось большей частью неосознанно, исходя из положения, что другой альтернативы нет. В настоящее время тезис о том, что отказаться от добываемых ресурсов невозможно превратился в миф. Сегодня многим кажется невозможным нетрадиционное развитие цивилизации, поскольку большинство “специалистов” не понимают взаимосвязи между энергетической системой и экономическим и социальным развитием.

Мировое энергоснабжение на рубеже ХХ и ХХI столетий (2000 г.) на 90% опиралось на не возобновляемые энергоносители. Такие же цифры характерны и для Украины. Приблизительно 70% первичной энергии потребляется в промышленно развитых странах (35% - США, 17% - Россия, 4% - Германия).

Характерно также и распределение по источникам энергии. В Германии нефть дает 40%, природный газ – 21%, каменный уголь – 14%, бурый уголь – 11%, атомная энергия –12%, возобновляемые источники – 2%. В секторе электроэнергии возобновляемые (безэмиссионные) источники составляют 20 % мирового производства. Из них 90 % составляет энергия, вырабатываемая на традиционных гидроэлектростанциях. Остальное - вырабатывается нетрадиционными источниками. Итак, рассматривая нетрадиционные источники энергии, мы должны признать, что в 2000 г. их доля в мировом энергопотреблении составляла 0,2 %.

Возникает естественно вопрос, а стоит ли тратить время на изучение того, что в настоящее время крайне трудно встретить на практике?

Но! В период роста цен на нефтяное сырьё в августе 2004 г. продал акции нефтяных компаний всемирно известный миллиардер, заработавший свое состояние на биржевых сделках – Сорос. Что же такого особенного произошло в мире? Ведь разведанных запасов нефти и газа хватит еще на 40 лет. А есть еще и неразведанные запасы. А разведанных запасов углей хватит на 300-400 лет. Но доля возобновляемых источников энергии в национальном энергопроизводстве Украины с 2010 до 2014 года в соответствии с заключенными контрактами и программами возрастет в 75 раз (с0,04 до 3 %).

Причины, вызывающие необходимость перехода энергогенерирующих производств на нетрадиционные источники энергии:

1) Исчерпаемость источников углеводородного топлива и закономерное повышение цен на него и соответственно и на энергию, получаемую из него.

Ещё в 1983 году в докладах конгресса Мировой энергетической конференции звучали прогнозы о возможном повышении цен на нефть до 2000 года в связи с дисбалансом потребности и возможностей добычи. В настоящее время этот дисбаланс стал реальностью, и цены на нефть поднялись с 12 до 100 долларов за баррель. Практически за одно десятилетие 21 века цены на природный газ возросли в десять раз. Пересмотр запасов каменного угля показал, что реальных запасов с учётом темпов роста их добычи хватит лет на 200, но объём потребления превысит возможности добычи уже в 2020...2022 годах. То есть цены на каменный уголь увеличатся в несколько раз, так же как это произошло с нефтью и газом.

Это касается и источника энергии на атомных электростанциях, так как разведанных месторождений урановых руд хватит не более чем на 40...50 лет;

2) Более высокая экономическая эффективность электростанций использующих нетрадиционные источники энергии (НИЭ).

Время строительства крупных ТЭС и АЭС составляет от 15 до 25 лет. Время строительства электростанций использующих НИЭ в 10 и более раз меньше чем традиционных электростанций. Сроки окупаемости крупных капитальных вложений на строительство энергетических объектов обычно составляют 10...15 лет. То есть к тому времени, когда строительство традиционной электростанции только будет завершено, нетрадиционная успевает уже возвратить сделанные в неё капитальные вложения. Традиционные электростанции морально устаревают, не успев окупиться, и прибыль от них резко снижается по мере увеличения срока службы.;

3) Традиционная энергетика в крупных масштабах приводит к глобальным экологическим нарушениям, приводящим к убыткам во много раз превышающим доходы энергетики;

Большинство публикаций в прессе связывает изменения климата на планете с парниковым эффектом, вызываемым эмиссией парниковых газов. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере многие авторы связывают с непродуманной хозяйственной деятельностью человечества, предлагая в качестве альтернативы переход на безэмиссионные источники энергии и дальнейшее снижение эмиссии диоксида углерода транспортными средствами.

Рассуждения сторонников этой теории выглядят следующим образом.

В настоящее время человеческое общество находится в конце периода индустриализации и начале нового этапа. Он характерен тем, что широкая индустриализация в мировых масштабах показала, что большая часть путей, по которым развивались технические средства, оказались не совсем верными, и для того чтобы выжить без потери уровня жизни общества (по крайней мере, в развитых странах) надо срочно изменить источники энергии, направления развития целых отраслей производства и т. д. Мировым сообществом уже предпринимаются первые, но достаточно крупные шаги. Чтобы понять роль и значение этих шагов надо понять причины их вызывающие. Итак, для строительства индустриального общества были неправильно выбраны источники энергии. В качестве которых были использованы энергосодержащие полезные ископаемые: уголь, нефть, газ, урановая руда. Неправильность заключается в том, что для получения энергии используются реакции:

С + О Энергия + СО ; (1)

U + нейтрон Энергия + нейтроны + изотопы. (2)

В правой части этих выражений появляются вещества, которые мы не можем утилизировать в полном объёме и представляющие так называемую эмиссию отходов.

Учитывая, что за последние 50 лет прошлого столетия мировое потребление энергии возросло больше чем в 4 раза, выбросы углекислого газа в атмосферу Земли пропорционально возросли. По прогнозам, вследствие развития экономики и роста численности населения мировое энергопотребление возрастет от 12 млрд. т единиц условного каменноугольного топлива в 2000 г. до 19-25 млрд. т в 2020 г.

Но уже сейчас выбросы СО привели к усилению так называемого парникового эффекта, и по оценкам специалистов вклад человечества составляет около 25-30%. Парниковый эффект приводит к повышению средней температуры воздуха и вод мирового океана. В перспективе, по расчетам специалистов, повышение температуры воздуха может составить 3,5 градуса. Мы привыкли к значительно большим колебаниям температуры атмосферного воздуха, поэтому на первый взгляд такое изменение нас не пугает. Но реальные явления, к которым оно приведет, для человечества катастрофичны. Уже сегодня, по наблюдаемым темпам таяния ледового покрова на полярных шапках, ученые прогнозируют полное исчезновение арктических льдов в 2050 году. Это приведет к повышению уровня мирового океана на 30 метров, затоплению значительных пространств суши, дельт и пойменных земель рек. А это – наиболее плодородные и освоенные людьми земли. То есть ожидается резкое снижение мирового производства продуктов питания (риса, пшеницы и т. д.), резкое сужение кормовой базы для животноводства и птицеводства (т.е. производства белковых продуктов). А полное таяние льдов Арктики и Антарктики может привести к повышению уровня мирового океана на 100 метров.

Однако имеется ещё один не менее мощный источник энергии, вызывающий климатические изменения. Таким источником является расплавленная магма, располагающаяся под тектоническими плитами.

Причиной высокой температуры магмы, в соответствии с существующей теорией, является земное ядро, в котором протекают ядерные реакции. Но вклад ядерных реакций в общие тепловыделения оценивается приблизительно в 75 %. Ещё одной причиной этого разогрева является перемещение электропроводящих слоев магмы при вращении Земли в магнитном поле звезды Солнце. В электроприводе подобное явление называется электродинамическим торможением электрических машин с короткозамкнутым ротором. Для скептиков, думающих, что за миллионы лет вращение не прекратилось, приведу, во-первых, научный факт, что за 150 млн. лет частота вращения Земли вокруг своей оси уменьшилась в 4 раза. Правда интенсивность этого торможения значительно изменяется, так как зависит от интенсивности магнитного поля создаваемого Солнцем. В настоящее время Солнечная система подошла к своему очередному этапу цикла (период которого составляет около 12000 земных лет). С 1990 года астрономы фиксируют заметное уменьшение частоты вращения планеты Земля. В настоящее время скорость увеличения периода обращения составляет 0,157 секунды за год. Цифра эта кажется весьма малой, но энергия, которая выделяется в недрах Земли при таком торможении, составляет 25 % от всей световой энергии Солнца, попадающей на поверхность Земли, и в 10000 раз больше чем всё энергопотребление человечества.

Вторым аргументом в подтверждение справедливости второй гипотезы являются природные явления, наблюдаемые в последнее десятилетие. Этими явлениями являются извержения вулканов. Ни для кого не является секретом, что ось вращения Земли имеет наклон близкий к 23 градусам к перпендикуляру к плоскости орбиты, что вызывает сезонные климатические изменения в северном и южном полушариях. Таким же образом, как времена года сменяют друг друга в определённой последовательности, мы можем проследить чёткую последовательность в активности вулканических проявлений коррелирующую с положением Земли на своей орбите. В северном полушарии с задержкой на 1,5-2 месяца начинаются извержения после достижения Солнцем южного тропика, и наоборот, когда Солнце достигает северного тропика, пробуждаются вулканы южного полушария. Причина этого явления очевидна – выполняется закон Фарадея Ε = - dФ/dt и его частный случай для электрических машин Е = С_Е Ф ω , где С_Е – константа, учитывающая радиус на котором находятся вращающиеся проводники; Ф – величина составляющей магнитного потока, находящаяся в плоскости вращения электропроводящего слоя вокруг земной оси; ω – круговая частота вращения Земли вокруг своей оси.

При увеличении Ф значение э.д.с. возрастает и в зависимости от электропроводности проводящих слоёв возрастают токи торможения, и в квадрате от величины токов возрастают тепловыделения в недрах Земли.

Вследствие разогрева происходит увеличение объёма магмы и нарастает давление, которое она оказывает на покрывающие её тектонические плиты. В отдельных местах магма поднимается к поверхности планеты, и происходят её извержения. В результате извержений громадные объёмы тепла и парниковых газов попадают в атмосферу планеты. Кроме этого часть тепла достигает дна морей и океанов и вызывает разрушение гидратов, связывающих метан, и донных отложений льда, запечатывавших выход метана из донных осадочных пород. Громадные объёмы метана попадают в атмосферу планеты и резко усиливают парниковый эффект. Подогретые на дне массы океанской воды поднимаются к поверхности, отдавая часть своего тепла атмосфере, а также способствуя усиленному испарению влаги с поверхности океанов. Эти явления приводят к нарушениям горизонтальных океанских течений (так называемый океанский конвейер) и увеличивают парниковый эффект, так как пары воды также создают парниковый эффект.

Фактами, подтверждающими усиление магнитного поля Солнца, являются резкое уменьшение выбросов вещества с его поверхности и усиление явления снижения частоты вращения Земли, фиксируемые астрономами с начала 90-х годов ХХ века.

При дальнейшем увеличении величины магнитного поля Солнца изменяется картина этого магнитного поля, что в связи с наклоном оси вращения Земли приводит к изменению характера собственного магнитного поля Земли. Из двухполюсного оно становится трёхполюсным, и в зависимости от положения Земли на своей орбите изменяется его полярность в одном из полушариев. Это явление наблюдается с периодичностью в 600-700 тыс. лет. При этом явления северного и южного сияний в зависимости от времени года наблюдаются не только в приполярных районах, но и в экваториальных областях. Заметно снижаются параметры собственного магнитного поля планеты, изменяется и вид суммарного магнитного поля Солнца и Земли в области магнитосферы планеты. Но никакого исчезновения магнитного поля Земли и экологических катастроф, как это пишут в отдельных массовых изданиях, происходить не может, пока магнитное поле Солнца увеличено и Земля вращается вокруг своей оси.

Для оценки энергетической эффективности энергии магнитного поля Солнца и вращения планеты Земля сравним её со световой энергией Солнца попадающей на поверхность Земли. На один квадратный метр земной поверхности перпендикулярный солнечному световому потоку падает около 1000 Вт световой энергии. Однако в связи с суточным вращением Земли, расположением многих стран вдали от экваториальной зоны, наклоном оси вращения Земли и способностью облаков водяных паров отражать и поглощать часть светового излучения среднегодовая плотность солнечного излучения уменьшается до 120-150 Вт/м².

Принимая, что большая часть энергии торможения распределена на половине поверхности земного шара (S_шара = 510•10¹² м²), средняя плотность энергии торможения составляет 117 Вт/м². Однако, в отличие от световой энергии не происходит её отражения в космическое пространство или поглощения на протекающие магнито-химические реакции. Принимая, максимальное отличие энергии торможения в северном и южном полушариях связанное с наклоном земной оси равным 4 раза, можно отметить, что в зимний период средняя плотность энергии торможения возрастает в 2 раза и достигает 235 Вт/ м². Учитывая, что средняя плотность солнечной световой энергии в этот период снижается до 60-75 Вт/м² можно сделать вывод, что они замечательно взаимно дополняют друг друга. Системы, воспринимающие энергию магнитного поля Солнца и вращения Земли, из-за наличия железосодержащего слоя в недрах планеты не нуждаются в системах ориентации в связи с суточным вращением Земли и перемещением планеты по орбите вокруг Солнца, имеют значительно более стабильный характер суточного поступления энергии.

Учитывая, что большая часть световой энергии Солнца, попадающей на поверхность Земли, поглощается при фотосинтезе и отражается в космическое пространство, соотношение вклада в тепловые процессы энергии световой и электромагнитного торможения составляет не менее чем 1 : 3. Поэтому важность постоянного мониторинга магнитного поля Солнца для прогнозирования климатических изменений, извержений вулканов, землетрясений становится очевидной. Осуществлять такой мониторинг можно космическими аппаратами расположенными вдали от действия магнитного поля Земли или других планет, имеющих собственное магнитное поле. Но значительно дешевле осуществлять такой мониторинг на поверхности Земли и океанов или в атмосфере планеты, для того чтобы избежать влияния поверхностных аномалий.

Влияние энергии магнитного поля Солнца и вращения Земли превышает влияние световой энергии Солнца на климатические явления на планете Земля.

В подтверждение второй гипотезы следует отнести следующие факты: замедление частоты вращения планеты Земля, уже фиксируемого астрономами с 1990 года; выделение энергии торможения в недрах Земли, что ведет к активизации подвижности тектонических плит (землетрясения), уже отмечаемого специалистами. Калининградская область России не считалась сейсмоопасной, но в её недрах уже зафиксирован толчок в 5 баллов, и срочно внесли коррективы в нормы строительства в ней. Впервые за всю историю наблюдений зафиксировано землетрясение в 10 баллов под озером Байкал; повышение активности вулканической деятельности (вулканологи уже это отметили, проснулись давно не извергавшиеся вулканы в окрестностях Мехико, в Исландии, Японии и т. д.). Но при извержениях вулканов происходит выделение громадных объемов СО , так что темпы роста парникового эффекта из-за природных факторов очевидно значительно возрастут. К этому, очевидно, прибавится СО от лесных пожаров, связанных с потеплением климата, появлением засушливых периодов и влиянием человека на возникновение этих пожаров (Это уже отмечается в США, странах Европы, Россие, Малайзии, Австралии и т.д.).

При повышении средней температуры атмосферы также будет характерным усиление подвижности атмосферных масс и повышение их влажности. Европейские страны уже столкнулись с катастрофическими паводками. Страны Карибского бассейна и Дальнего востока уже столкнулись с мощнейшими циклонами и ураганами, которые на значительное время парализуют громадные области, вызывают паводки, оползни, разрушают коммуникации (ЛЭП, трубопроводы, линии электросвязи, автомобильные и железные дороги), не дают возможности функционировать авиатранспорту, на громадных площадях уничтожают посевы, кровли зданий и т. д. Нарушение работы океанского конвейера в северной Атлантике сильно ослабляет теплое течение Гольфстрим, что может значительно изменить климат в Европе. Аналитики Пентагона не исключают возможности массовых переселений людей из Германии и Нидерландов в Испанию и Италию в 2020 году вследствие установления в Центральной Европе низких (“сибирских”) температур. Начало этих процессов Вы уже можете наблюдать на экранах телевизоров (снежные заносы в ноябре месяце в Австрии, зимой 2004 года впервые за многие десятилетия замерз “незамерзающий” порт Мурманск и т.д.).

4) Борьба за топливо для традиционных источников энергии вызывает политическую и энергетическую нестабильность, долговременные экономические и военные конфликты, приводящие к значительным финансовым затратам во внеэнергетических областях экономики;

5) Использование традиционных источников энергии заставляет использовать централизованную модель энергетической системы. Использование НИЭ позволяет перейти на распределенную систему энергообеспечения, которая дешевле, устойчивее, надежнее и пластичнее (быстрее изменяема в нужном направлении).

С 1978 года в США не построено ни одной новой традиционной электростанции. За это время были построены десятки солнечных и геотермальных электростанций, а в 21 столетии продолжилось строительство ветроэлектростанций. Многие традиционные электростанции были модернизированы с использованием бинарных циклов. Это позволило поднять их к.п.д. с 23...31 до 56%.

Для снижения потерь от изменения климата было разработано Киотское соглашение. В соответствии с ним за превышение норм эмиссии (СО ) страны, допустившие её, должны будут уплатить за них тем странам, которые недоиспользовали свои квоты на выбросы. Условием вступления в действие Киотского протокола было подписание его странами, суммарная квота на эмиссию которых превысила бы 55%. 22 октября 2004 года Государственная дума Российской Федерации большинством голосов проголосовала за ратификацию Киотского протокола. К моменту ратификации Киотского протокола Россией его уже ратифицировали 122 страны с суммарной квотой на эмиссию составляющей 45%. После ратификации Киотского протокола Россией в феврале 2005 года суммарная квота на эмиссию стран ратифицировавших его составила 62%, и Киотский протокол вступил в силу. Россия ожидает от продажи квот на выбросы ежегодные поступления в свой бюджет на уровне 6-8 млрд. долларов. Украина по международным оценкам сможет продать квот через инвестиционные проекты на 17 млрд долларов (± 20%). Объём квот выбросов СО , закрепленных за Украиной по Киотскому протоколу равен 500 млн. тонн. Одна тонна выбросов СО на территории Евросоюза оценивается в 22...24 евро. В случае использования всеми странами своих квот на эмиссию в соответствии с Киотским протоколом плата за их превышение будет направляться на финансирование предприятий, обеспечивающих связывание СО : воспроизводство и защиту тропических лесов, развитие производства микродобавок в морские и океанские воды, стимулирующих развитие водорослей, поглощающих СО , оплату внесения этих микродобавок в океанские воды в наиболее эффективных регионах. С помощью Киотского соглашения человечество пытается ограничить влияние людей на дальнейшее ухудшение климата. С вступлением в действие Киотского протокола возник громадный финансовый стимул по переходу на новые источники энергии. Источники, не имеющие эмиссии, в частности, не выделяющие СО . И, несмотря на то, что Киотский протокол еще не подписали США (35% выбросов СО ), в истории развития и существования тепловых электростанций, работающих на органическом топливе поставлена крупная, жирная точка. Потеряли долгосрочную перспективу и атомные электростанции с традиционной схемой. И хотя срок действия Киотского протокола ограничен 2011 годом, все страны понимают, что процесс этот не прервется, а будет продолжаться и углубляться.

Громадное количество СО выделяется при доменном производстве чугуна и мартеновском производстве стали. На эти производства в ближайшие 15-20 лет также придется поставить крест. Очень большую долю СО выделяют двигатели транспортных машин – автомобилей, самолетов, тепловозов. Вся эта техника в ближайшее время должна будет пройти существенное изменение по снижению выбросов СО в 2-3 раза или полному их прекращению. Часть наработок в этом направлении уже сделано. С 1975 года в СССР действовала Комплексная программа ГКНТ СССР 0.01.08 “Провести исследования и разработать технологии использования нетрадиционных, возобновляемых источников энергии, установок и систем на их основе”. На территории Украины действует закон “Про альтернативні джерела енергії”. Но многое еще предстоит сделать.

В ноябре 2005 года прошла очередная встреча учёных и политиков в Торонто (Канада) по вопросам глобального потепления и его воздействию на климат планеты. На этой встрече ученые пришли к выводу, что к 2025 году техногенные выбросы СО₂ должны будут достигнуть своего максимума, а затем ежегодно эти выбросы необходимо будет сокращать на 1,6 %. Если этого не сделать, то наступят необратимые изменения климата планеты Земля, которые будут катастрофичны для человечества. Устойчивые антициклоны с температурами минус 40...50 ^ОС, длящимися по нескольку недель, а то и месяцев, невиданные ранее по мощности и разрушительности ураганы, затопление громадных площадей суши и т. д. В 2008 году совместная норвежско-российская экспедиция, исследующая Арктику, обнаружила новое природное явление. В Восточно-Сибирском море и море Лаптевых начал подтаивать слой вечной мерзлоты, который запечатывал под морским дном скопления метана. Ученые обнаружили зоны, где вода буквально кипит от выделяющегося через водную поверхность газа. Учитывая, что создаваемый метаном парниковый эффект в 20 раз превышает эффект создаваемый углекислым газом, это явление может вызвать лавинообразное нарастание глобального потепления. То есть времени на раздумья и долгосрочное планирование практически уже не осталось.

В начале декабря 2008 года в Польше происходила очередная ежегодная международная конференция по климату. По её результатам было подписано соглашение, в соответствии с которым 20 стран Европейского союза до 2020 года обязуются довести производство энергии на нетрадиционных источниках до 20 % (20-20-20). Однако многие ученые высказывают мнение, что предпринимаемых мер явно недостаточно и необратимые изменения климата планеты Земля уже происходят. В 2009 году руководители 8 ведущих мировых государств договорились, что предпримут все необходимые меры, чтобы ограничить повышение средней температуры 2,0 ^ОС. Однако, учитывая, что большинство предпринимаемых мер до настоящего времени опирались на первую гипотезу, а реальные факты значительно больше подтверждают вторую, следует ожидать значительно более жестких климатических изменений, так как время на противодействие изменениям климата по второй гипотезе практически уже упущено.

Лекция № 2 Энергия воздушных масс.

Характеристика ресурсов. Ветроэнергетический потенциал.

Ветер представляет собой энергию Солнца, преобразованную в кинетическую энергию движущихся воздушных масс. Мощность солнечного излучения, которая непрерывно преобразуется в энергию ветровых потоков на Земле, оценивается примерно в 10⁸ ТВт. Технически реализуемая часть этой энергии равна 72 ТВт при мировом потреблении 7-8 ТВт.

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) используют ветер приземного слоя атмосферы на высоте 50-70 м (реже до 100 м) от поверхности земли. Но имеются так называемые струйные течения на высотах 8-12 км, энергетический потенциал которых также довольно велик ( = 18-20 м/с, но в 10 раз меньше чем в приземном слое).

Мощность ветрового потока, отнесенная к 1 м площади, перпендикулярной направлению ветра определяется выражением

N = ;

где = 1,226 кг/м - средняя плотность воздуха приземного слоя атмосферы (при t = 15 C и атмосферном давлении 0,0981 Мпа или 760 мм рт ст, - скорость ветра, м/с)

Плотность воздуха заметно меняется при изменении его температуры.

Таблица 1.1

Зависимость плотности воздуха от температуры.

t , С	-40	-20	0	+15	+20	+40
, кг/м	1,515	1,399	1,293	1,226	1,205	1,128

К основным преимуществам производства электроэнергии с использованием энергии ветра в первую очередь следует отнести следующее:

1. Отсутствие потребления органического топлива и как следствие отсутствие потребления атмосферного кислорода и выбросов в атмосферу токсичных газов и газов, вызывающих парниковый эффект, а также отсутствие дополнительного увлажнения атмосферы;

2. Отсутствие радиоактивных отходов, переработка и хранение которых является одной из сложнейших проблем атомной энергетики;

3. Отсутствие потребности в воде, которую в больших количествах используют АЭС и ТЭС;

4. Расположение ВЭС на площадях, которые после строительства продолжают использоваться для скотоводства и растениеводства;

5. Малое время строительства (ВЭС мощностью 50 МВт можно построить за 18 месяцев).

В 1998 году капитальные затраты на 1 кВт установленной мощности ВЭУ снизились до 900-1200 $, а себестоимость производства электроэнергии на лучших новых ВЭС снизилась до 5-6 центов за кВтч.

Но строить ВЭС имеет смысл только в тех местах, где часто дует ветер с достаточной скоростью. Основным показателем ветрового режима района является среднегодовая, многолетняя скорость ветра. Для побережья Черного и Азовского морей = 6-7 м/с по данным 1966 года (Справочник по климату СССР, ч III Ветер). В Луганской области до 1956 года примерно 50% электроэнергии вырабатывалось ВЭУ.

Распределение ветроэнергетического потенциала на высотах 10 и 40 м приведено на рис. 1.1.

Рис. 1.1

При малых скоростях ветра резко снижается мощность ветроустановки, а при больших скоростях N  3,6 кВт/м , но время, в течении которого скорость ветра превышает 20 м/с мало, и ветрообеспеченность не превышает 50 часов в год. В связи с мировым изменением климата количественно эти данные могут незначительно измениться, но характер их неизменен.

Основными недостатками присущими ВЭС являются:

1) пока что высокая стоимость ветровой электроэнергии по сравнению с другими типами электростанций;

Стоимость электроэнергии цент/кВтч (2000г.) Таблица 1.2

Страна	Угольные ТЭС	Газовые ТЭС	Ядерные ЭС	ВЭС
Дания	3,6	4,3-5,5		5,5
Франция	5,7	3,2	4,8	6,5
Япония	7,4	7,8	7,6	13,3
Германия	-	3,3	-	5,8-11

2) необходимость 100% резерва мощностей на ТЭС, АЭС, ГЭС или ГАЭС. Поддержание резерва на традиционных электростанциях повышает стоимость их электроэнергии от 2 до 10 центов за кВтч.

Установленные мощности ВЭУ, МВт Таблица 1.3

Страна	1995	1998	2000	2005
Германия	1137	2893	5000	16629
США	1770	1819	2500	6740
Дания	630	1380	1750	3117
Индия	550	992		2985
Испания		907		8263
Голландия	250	359		1078
Великобритания	193	330		888
Китай		190		764
Италия	23	154		1125
Швеция	67	148
Украина			14,01	70,2
Всего в мире	4800	10200	17400	59322
Прирост за год				11,76

За 1999 год в Украине произведено на ВЭС 3827,78 тыс. кВтч электроэнергии. Коэффициент использования установленной мощности составил 3,1%.

В Украине мощность ВЭУ может быть доведена до 750 МВт в 2010 году, 1200-1500 МВт в 2015 году, 2000-3000 МВт к 2020 году при условии что:

1) будет обеспечена государственная поддержка строительства ВЭС;

2) будет организована подготовка специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации ВЭС;

3) при развитии производства мощных ВЭУ и освоении их эффективной эксплуатации.

Можно констатировать, что к средине 2012 года большая часть этих условий выполнена. Верховной радой принят закон о "зелёном тарифе". Один из мировых лидеров в области ветроэнергетики концерн Fuhrlander AG (Германия) запустил производство современных ветрогенераторов единичной мощностью 2,5 МВт на базе мощностей ОАО "Краматорский завод тяжелого станкостроения" (Донецкая обл.). В 2011-2012 гг. в ветропарках "Новоазовский" и "Очаковский" 38 ветротурбин единичной мощностью 2,5 МВт.

История использования энергии ветра уходит своими корнями в глубокую старину. За 200 лет до нашей эры ветряные мельницы работали в Персии, а ещё раньше их использовали в Китае. Широко известен персонаж Сервантеса Дон Кихот ла Манчский со своим слугой Санчо Пансой своей бесперспективной борьбой с ветряными мельницами. Ветряные мельницы были широко распространены по всей Европе, в Испании, Голландии, Франции, в том числе и в Украине. Горизонтальная ось вращения, деревянная конструкция, в случае повышения скорости ветра больше допустимой оголовок мельницы проворачивался так, чтобы плоскость вращения лопастей стала параллельна ветровому потоку. В России к началу ХХ века крутилось около 2500 ветряков с общей мощностью около миллиона киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились.

С тех пор ВСУ изменились весьма значительно, в их конструкции стали применяться современные строительные и конструкционные материалы. Разработаны современные конструкции ВСУ не только пропеллерного, но и роторного типа. Пропеллерные ветродвигатели в прошлом веке вначале стали многолопастными с лопастями из металлов. Затем количество лопастей было снижено до трёх, но лопасти стали поворачивающимися вокруг своей оси для учета скорости ветра и регулирования отдаваемой мощности, с изменяемой толщиной профиля лопасти и изменяющейся круткой лопастей. Вал ветроколеса через мультипликатор, повышающий частоту вращения, соединен с валом электрогенератора, установленного в гондоле. Поворот гондолы осуществляется автоматически в зависимости от направления ветра с помощью вспомогательного электропривода, чем современные ВУ отличаются от старых конструкций, использовавших флюгерный эффект или имевших вспомогательные ветросиловые приводы. Обтекаемой формы гондола устанавливается на стальной или железобетонной башне кольцевого сечения, которая вместе с довольно массивным фундаментом составляют значительную часть затрат на создание ВЭУ. Внутри башни имеются лестничные марши подобные тем, что на башенных крановых установках, чтобы обслуживающий персонал мог подняться в гондолу для текущего контроля и обслуживания оборудования. В современных ВЭУ контролируются тепловые, вибрационные и электрические параметры оборудования с помощью компьютерных систем с единого пульта управления ВЭС. На Азовской ВЭС гондолы установлены на ажурных сварных конструкциях, что снизило стоимость сооружения станции, но увеличило эксплуатационные затраты на антикоррозионную защиту металлоконструкций. Первый крупный ветроагрегат с горизонтальной осью вращения мощностью 1250 кВт был построен в 1940 году в США.

В ХIХ и ХХ веках были разработаны роторные ветродвигатели (РВД). Вначале для использования на судах вместо традиционного парусного вооружения. Их преимуществами были легкость управления и автоматизации ветродвигателя и возможность идти почти против ветра с малыми галсами. Роторные ветродвигатели подразделяются на двигатели с листовыми лопатками и двигатели с профилированными лопатками, называемые ортогональными установками. РВД позволяют без разрушений использовать ветровые потоки со скоростями до 60 м/с (216 км/час).

РВД с листовыми лопатками эффективно преобразуют энергию ветрового потока при скоростях ветра от 2-3 до 7-8 м/с. При больших скоростях к.п.д. преобразования энергии у этого типа РВД падает, поэтому они находят применение в простых ВСУ мощностью до 7 кВт, а также используются в качестве пусковых ветродвигателей для РВД с профилированными лопатками.

Одной из первых ВЭУ, использующих РВД с профилированными лопатками, была ВЭУ в Дарье (Канада). Кто смотрел фильм "Водный мир" видел на катамаране героя фильма этот ветродвигатель. Различие в аэродинамике дает ортогональным установкам большое преимущество в сравнении с традиционными ВЭУ с горизонтальной осью. При увеличении скорости ветра их мощность пропорционально нарастает, а после достижения скоростью ветра определенной величины она стабилизируется или даже спадает при дальнейшем увеличении скорости ветра. Это позволяет использовать очень простые электрические схемы, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Важным преимуществом этой конструкции является её способность следить за направлением ветра автоматически, что особенно существенно для приземных рыскающих воздушных потоков.

Для снижения стоимости электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС, приходится наращивать мощность отдельного агрегата. Для ВЭУ с горизонтальной осью длина лопастей может достигать 60 м. Но на разной высоте ветер может быть направлен по разному и иметь различную скорость. Это не дает возможности оптимально сориентировать такой ветроагрегат по ветру и возникает опасность разрушения лопастей. Поэтому предельной мощностью ВЭУ с горизонтальной осью считается мощность в 7 МВт. Для ВЭУ с ортогональными установками имеются разработки на мощность 25 МВт.

В ортогональной установке мощностью 2 МВт диаметр кольцевого моста составляет 80 м, а общая масса установки составляет 100 т. Но монтаж её может быть осуществлен за 1 месяц.

Ветроэнергетический потенциал в Украине сосредоточен на побережье Черного и Азовского морей, в предгорьях Карпатских гор и в отдельных местах Донецкого кряжа. В приморских условиях направление ветра меняется медленно и редко, в предгорьях Карпат практически не изменяется, а в условиях Донецкого кряжа ветер часто меняет свое направление и скорость. Поэтому на побережьях и в предгорьях Карпат целесообразно использовать ветродвигатели с горизонтальной осью, а в условиях Донецкого кряжа более подходят ортогональные установки. Дополнительным преимуществом ВЭУ с РВД может стать использование естественных и искусственных ветровых плотин. Искусственная ветровая плотина представляет собой систему радиально расположенных, сужающихся в направлении ВСУ лесопосадок. При длине лесопосадок в 150 м и высоте до 20 м мощность ВЭУ можно увеличить с 50 до 300 кВт, что может снизить стоимость ветроэнергии в 5-6 раз и сделать её конкурентоспособной. Правда это не дает возможности сконцентрировать ВЭУ на относительно ограниченной территории.

Сложность в развитии ветроэнергетики в Украине состоит в том, что:

1) на её территории отсутствовало производство ВЭУ, нет готовых разработчиков современных ВЭУ различной конструкции, нет патентного или лицензионного задела;

2) для того чтобы не резервировать мощности на тепловых или атомных электростанциях необходимо строительство ГАЭС, развитие водородной энергетики или установок по производству жидкого топлива на базе энергии ВЭС для их использования в безветренные периоды (При мощности ВЭС 600 МВт ГАЭС должна иметь площадь водного бассейна, в который будет закачиваться вода, около 15 км );

3) в большинстве стран, широко использующих ветроэнергетику для покрытия энергетических потребностей страны, она довольно широко была развита в частном секторе в виде ВСУ малых мощностей (до 50 кВт), что формировало общественное мнение для поддержки государственных программ по развитию нетрадиционных источников энергии (В Дании в 1982 году было более 600 ВЭУ мощностью до 55 кВт).

В этом плане любой из Вас может внести свой вклад в развитие нетрадиционной энергетики, построив и установив пусть небольшую, но работающую ветроэлектроустановку.

Лекция № 3 Геотермальные источники энергии

Одним из возобновляемых источников тепловой энергии является внутриземное тепло. Количество тепловой энергии сосредоточенной только в верхнем 5-километровом слое земной коры, во много раз превышает потенциальную энергию всех существующих запасов нефти, газа, угля, торфа и горючих сланцев. Если охладить центральную часть Земли всего лишь на 1 C, то высвободиться столько тепловой энергии, сколько необходимо для работы всех электростанций мира в течение 40 млн. лет.

Носителем тепла Земли весьма удобным для использования служат подземные воды. Они изливаются либо в виде гейзеров, либо в виде просто горячих ключей, но очень часто они обнаруживаются при бурении разведочных скважин при поиске полезных ископаемых. Термальные источники, выходящие на земную поверхность, использовались человеком в лечебных и бытовых целях ещё в доисторические времена. Изучение тепла земной коры стало возможным благодаря появлению в 1597 году термометра. В середине ХVII столетия проводились первые наблюдения за температурой воздуха в одном из рудников Венгрии. В ХVIII столетии геотермические исследования проводились в рудниках и шахтах России, Франции, Голландии, Мексики, Перу и других странах. В 1860 году при Британской ассоциации распространения наук была учреждена международная геотермическая комиссия. В1882 году А. Эвретт вывел среднюю геотермическую ступень для земной коры, равную 33 м/ C. В 1898 году геолог Н. Дартон построил первую карту изотерм для артезианского бассейна штата Дакота.

В конце ХIХ столетия в Италии была сделана первая попытка использовать природный пар для получения механической энергии. В 1904 году инженер Д. Конти направил парогазовую струю в 40-сильную паровую машину, которая стала предшественницей геотермальных электростанций, а в 1912 году в Лардерелло (Италия) заработала первая паротурбинная электростанция мощностью 250 кВт. В 1930 году в Исландии геотермальные ресурсы использовали в отоплении и горячем водоснабжении жилых и промышленных зданий, в технологических целях, сельском хозяйстве и т. д. В США в настоящее время эксплуатируется 117 геотермальных электростанций. Мощность геотермальной электростанции в Лардерелло превысила 300 Мвт.

Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Известны случаи, когда приращение температуры на 1 C происходит при углублении на 2-3 м. И наоборот, в районе реки Мархи (приток Вилюя в Восточной Сибири) на глубине 1800 м температура составляет 3,6 C (геотермическая ступень 500 м/ C). В 1877-1878 годах детальные геотермальные исследования выполнили А.К. Вильберг и Г.Д. Романов в Айбарской скважине в Крыму. На глубине 796 м температура оказалась равной 43 C (геотермальная ступень 25 м/ C).

Термальные воды с температурой 37-50 C используются в бальнеологии; 50-70 C - для мелкомасштабной теплофикации, горячего водоснабжения, технологического использования; 70 - 120 C - для крупномасштабной теплофикации (города, крупные сельскохозяйственные объекты и т. д.); 120-170 C - "малая" электроэнергетика с применением низкокипящих рабочих жидкостей (фреоны, изобутан, пентан и т. д.); 170-220 C - "средняя" электроэнергетика с прямым использованием пароводяной смеси; более 220 C - "большая" электроэнергетика на природном, сухом паре.

Таким образом, для "малой" энергетики пригодны только термальные воды Закарпатья, отдельные месторождения Крыма и Харьковской области. Остальные геотермальные ресурсы Украины пригодны в основном для теплофикационных целей. В 1980 году мощность геотермальных ТЭС в мире составляла 1,5 ГВт. Стоимость 1 кВтч электроэнергии на геотермальных ТЭС самая низкая по сравнению с другими электростанциями.

Чтобы рентабельно осваивать глубинное тепло Земли для теплоснабжения, необходимы благоприятные условия: мощные водоносные горизонты на небольших глубинах, низкую геотермальную ступень, малую минерализацию воды и малую агрессивность вод к металлам, близость геотермального месторождения к энергопотребителям. Большинство геотермальных вод Украины за исключением Крымских и Закарпатских являются сильно минерализованными. В Харьковской области минерализация превышает 250 г/л.

Таблица 3.1

Эксплуатационные запасы геотермальной энергии в Украине

Область	Эксплуатационные запасы
	Термальные перегретые воды, тыс. м /сут	Сухие горные породы: мощность МВт
1. АР Крым (включая г. Севастополь)	475/388	-
2. Винницкая	-	169
3. Волынская	-	85
4. Днепропетровская	-	1078
5. Донецкая	298	-
6. Житомирская	-	103
7. Закарпатская	264/371	-
8. Запорожская	-	401
9. Ивано-Франковская	181	-
10. Киевская (вкл. г. Киев)	-	569
11. Кировоградская	-	228
12. Луганская	-	872
13. Львовская	197	-
14. Николаевская	409	-
15. Одесская	475	-
16. Полтавская	134	-
17. Ровенская	-	57
18. Сумская	-	226
19. Тернопольская	-	77
20. Харьковская	147/249	-
21. Херсонская	391	-
22. Хмельницкая	-	130
23. Черкасская	-	216
24. Черновицкая	-	155
25. Черниговская	122	-
Всего по Украине	3093/1008	4366

В Днепропетровской, Луганской и Киевской областях основной геотермический потенциал содержится в сухих горных породах. Для извлечения тепла на поверхность в этих условиях воду необходимо сначала закачать в содержащие тепло породы, а затем откачать нагретые воды на поверхность для использования. Для осуществления этого необходимо бурить скважины, что стоит довольно дорого. Большую экономическую перспективу по использованию этой энергии могут иметь глубокие отработанные горизонты Донбасских шахт. На некоторых шахтах уголь извлекался с глубины 1300 м и глубже. Температура стен забоев на таких глубинах даже в условиях постоянного проветривания составляет 50-60 C. После выработки угольных залежей и нецелесообразности добычи угля на больших глубинах такие горизонты целесообразно использовать для получения термальных вод, используя шахтные воды с горизонтов более близких к поверхности. В этом случае не было бы нужды закрывать старые шахты и оставлять шахтерские поселки без рабочих мест и тепла. При оборудовании накопительных баков и трубопроводов теплоизоляционной защитой потеря температуры на 5 км участке составляет 1-1,5 C. Таким образом использование готовых горных выработок исключает большие затраты на бурение и оборудование скважин. Остаются вопросы только по использованию термальных вод.

Мировой опыт показывает (особенно на примере Исландии), что рациональное использование земного тепла - это обязательное условие его высокой рентабельности. В теплофикационный цикл включают: коммунальное хозяйство, теплицы, обогрев почвы, дорог, взлетных полос аэродромов, плавательные бассейны, технологические цели в промышленности, сельском хозяйстве и т. д.

Возможно несколько схем использования термальных вод с температурой до 70 C:

А - подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев отопительной системы;

Б - более сложный вариант предыдущей системы, так называемая бессливная система, когда из отопительной системы идет возврат воды в котельную;

В - схема с применением тепловых насосов;

Г - комплексная система с тепловыми насосами на сбросовой воде и пиковой котельной.

Но при любой схеме использования земного тепла стоимость 1 Гкал оказывается в 4-5 раз дешевле, чем полученной на газовой котельной и в 6-7 раз дешевле, чем на котельной, работающей на угле.

Однако имеются и определенные сложности в использовании термальных вод. Сущность этих сложностей заключается в термине "кольматация". Выражается оно в газообразовании и солезарастании скважин и трубопроводов. Иногда это механическая кольматация, когда скважины или трубопроводы забиваются песчано-илистыми пробками. Известны случаи, когда протяженность этих пробок составляла 100-150 м. Более опасна солевая кольматация: карбонатная (кальцит, арагонит), сульфатная (гипс, ангидрит бария), сульфидная (гидротроилит, пирит), окисная (лимонит, кремнезем) а также отложения самородных элементов (свинца, серы). Связаны явления кольматации как со снижением температуры, так и со снижением давления водных растворов, что провоцирует кристаллообразование. Кроме этого имеются проблемы с токсичными компонентами термальных вод. Прежде всего, это сероводород. Необходимым условием для генерации сероводорода является наличие сульфат-ионов и зараженность водоносных горизонтов колониями сульфатредуцирующих бактерий, оптимальная температура обитания которых составляет 40-60 C. Обычными газами, содержащимися в термальных водах, являются азот, метан, углекислый газ и сероводород.

Как и для любого источника энергии, геотермальная энергетика должна быть экологичной, а для этого необходимо, чтобы при больших объёмах вывода на поверхность вод сброс отработанных вод был минимален и безопасен, то есть не содержал токсичных компонентов. Решение этой проблемы известно, для этого надо возвращать отработавшие в энергетическом и химическом циклах воды через сеть поглотительных скважин обратно в пласт. При этом увеличивается пластовое давление и дебит рабочих скважин, происходит дополнительный съём тепла из водовмещающих пород и предотвращается контакт агрессивных к живой природе вод с поверхностью Земли. Правда, при этом также могут возникать определенные проблемы. Мелкие кристаллы солей могут кольматировать (забивать) пространство вокруг нагнетательных скважин. То же самое может произойти из-за выноса прокорродировавших частиц труб, особенно если в пластовые воды будет поступать атмосферный кислород. В этом случае кольматантами могут стать сульфиды или гидроокислы железа. Это непростая техническая проблема, но в каждом конкретном случае она имеет техническое решение. Возможно и тепловое загрязнение окружающей среды, когда в случае аварийных сбросов или неполного использования геотермального тепла сбросовые воды могут нарушить тепловой режим поверхностных водоемов, вызвать заболачивание местности.

Схема использования газосодержащих термальных вод, склонных к солеотложению приведена на рисунке 3.2.

Рис. 3.2

В качестве примера использования термальных вод с температурой 57-65 C. Одна скважина с дебитом 2000 м /сут. и накопительным баком объемом 5000 м обеспечивает горячей водой микрорайон Тбилиси с населением 15 тыс. жителей. А при температуре 70-75 C может отопить и снабдить горячей водой поселок с населением 4-4,5 тыс. жителей.

Лекция № 4 Тепловые насосы

Принцип работы теплового насоса вытекает из работ Сади Карно и описания цикла Карно в его диссертации, опубликованной в 1824 году. В этом процессе затрачивается внешняя работа, и количество тепла q отнимается у источника с низкой температурой и передается объекту с более высокой температурой. Цикл Карно изображается в координатах температура – энтропия.

Рис. 2.1 Цикл Карно

Эффективность цикла оценивается холодильным коэффициентом

= .

Но работа Карно была теоретической. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томпсон в 1852 году (в 1897 году за открытие носителя отрицательного заряда – частицы названную электроном удостоенный титула лорда Кельвина). Он назвал её умножителем тепла, и она показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. Холодильные машины разрабатывались уже в конце ХІХ века. Тепловые же насосы получили быстрое развитие лишь в 20-х и 30-х годах ХХ столетия. Известно описание [Холдэйн 1930 г.] домашнего теплового насоса, предназначенного для отопления и горячего водоснабжения, использующего тепло окружающего воздуха. Большой вклад в развитие тепловых насосов (14 патентов в 5 странах) внесли известные физики Альберт Эйнштейн и Л Сцилард (известный своими многочисленными находками в области ускорительной техники).

Рис. 2.2 Схема теплового насоса.

Рис. 2.3 Термодинамическая схема теплового насоса.

Тепловой насос для работы требует затрат мощности W.

Коэффициент преобразования энергии для теплового насоса

КОП = = ,

где Q_Н - тепловая мощность (высокого уровня температуры) на выходе теплового насоса, Q_L - тепловая мощность (низкого уровня температуры), W - мощность, потребленная насосом.

Для холодильной техники

КОП = ,

но так как Q = Q + W , то

КОП = КОП – 1.

С целью приближения к идеальному циклу Карно необходимо стремиться к подводу тепла при условиях близких к изотермическим. Для этого используют свойства фазовых переходов веществ. Подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации.

В качестве рабочего тела в тепловых насосах используют:

1) аммиак NH (температура кипения при н.у. – 33 С, затвердевания - 70 С),

достоинства: умеренные значения давлений, достаточно низкая нормальная температура кипения, высокая объёмная холодопроизводительность, высокий коэффициент теплоотдачи, легкость обнаружения утечек, доступность;

недостатки: ядовитость, корродирующее действие на медь и её сплавы, воспламеняемость в смеси с воздухом, частичная диссоциация при высоких температурах;

2) сернистый ангидрид SO ,

достоинства: умеренное давление, невоспламеняемость, легкость обнаружения по запаху;

недостатки: ядовитость, корродирующее действие на сталь и реакции со смазочным маслом;

3) фреоны – галоидные (содержащие фтор и хлор) производные насыщенных углеводородов

достоинства: высокий молекулярный вес, низкие температуры в конце сжатия, низкие температуры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов, химическая пассивность;

недостатки: малая холодопроизводительность 1 кг агента, большой объем циркулирующего агента, высокий удельный вес и большие дроссельные потери, низкие коэффициенты теплоотдачи, высокая стоимость, способность к образованию в присутствии воды хлористого и фтористого водорода и фосгена, разрушающее действие на озоновый слой атмосферы.

4)углеводороды (С-пентан, изобутан и т.п.)

достоинства: высокий молекулярный вес, низкие температуры в конце сжатия, низкие температуры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов, невысокая химическая активность, отсутствие воздействия на природный озоновый слой;

недостатки: малая холодопроизводительность 1 кг агента, большой объем циркулирующего агента, высокий удельный вес и большие дроссельные потери, низкие коэффициенты теплоотдачи,

Главным компонентом теплового насоса является насос, перекачивающий рабочее тело (компрессор). Расширение рабочего тела в установках малой мощности чаще всего осуществляют в дроссельном канале. Этот канал представляет собой либо регулируемое сопло или отверстие (клапан), либо капиллярную трубку. Отсутствие расширительной машины в цикле означает, что некоторое количество полезной работы теряется и КОП уменьшается. Это оправдано тем, что в установках малой мощности стоимость расширительной машины не окупается полученной на ней работой. Процесс расширения в сопле является адиабатическим, т.е. происходящим без подвода или отвода тепла.

Схема холодильного агрегата с МГД насосом по патенту А. Эйнштейна и Л. Сциларда.

Рис. 2.4

Второе отклонение от идеального цикла вызвано необходимостью работы компрессора на сухом паре (чтобы не было конденсации рабочего тела), поэтому рабочее тело на входе в компрессор должно быть несколько перегрето. Компрессор должен реально сжимать более разреженный пар при том же массовом расходе, что несколько увеличивает компрессор.

Кроме этого в компрессоре рабочее тело нагревается не только от сжатия, но и воспринимая тепло деталей компрессора. Изоэнтропический к.п.д. поршневого компрессора составляет около 70 %. Компрессор также имеет механический к.п.д. (~ 95%) и объемный к.п.д. (~ 95%).

Потери имеются и в других частях рабочего цикла, а не только в компрессоре. При проходе рабочего тела через теплообменник его давление немного падает. Это падение давления приводит к отклонению от изотермических условий при теплообмене. При используемых скоростях движения теплоносителя отклонение температуры составляет около одного градуса и проявляется оно как в конденсаторе, так и в испарителе.

После прохождения через испаритель температура рабочего тела значительно снижается и возможно появление незначительного количества жидкой фазы, поэтому перед входом в компрессор для создания необходимых условий его работы, рабочее тело необходимо несколько подогреть. С другой стороны, теплоноситель, движущийся от конденсатора по трубопроводам к испарителю желательно бы дополнительно охладить, чтобы компенсировать частичное его испарение в трубопроводе между конденсатором и дросселем. Поэтому в реальный парокомпрессионный цикл вводят промежуточный теплообменник переохладитель.

В СССР было освоено производство тепловых насосов мощностью до 2000 кВт, и разрабатывались установки мощностью до 20000 кВт.

Лекция № 5 Солнечная энергетика

Солнце является основным источником химической (органическое топливо и биомасса), ветровой, гидроэнергии и энергии океана, а также непосредственно солнечной энергии. Солнце изучает ежесекундно 370 х10 ТДж теплоты, из этого количества на Землю попадает только 1,2 х10 МВт, то есть за год 10 кВтч или в 10000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляется в мире. Только на Италию падает солнечной энергии в 6 раз больше, чем потребляется во всем мире. Для удовлетворения современного электропотребления достаточно превратить в электрическую солнечную энергию, падающую на 0,0025 % поверхности Земли. Для этого достаточно использовать 1 % площади пустыни Сахара. Но количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли зависит от географической широты, времени года и атмосферных условий (облачность частично поглощает, а частично отражает солнечное излучение).

В условиях Украины удельная годовая, солнечная радиация составляет для

1) АР Крым, г. Севастополь и Одесской области - 1350 кВтч/м ;

2) Днепропетровской, Донецкой, Запорожской, Кировоградской, Луганской, Николаевской и Херсонской областей - 1250 кВтч/м ;

3) Винницкой, Житомирской, Киевской, Полтавской, Ровенской, Сумской, Харьковской, Хмельницкой, Черкасской и Черниговской областей - 1150 кВтч/м ;

4) остальных областях - 1000 кВтч/м .

Максимальный уровень солнечного излучения составляет около 1 кВт/м горизонтальной поверхности, однако эта цифра характерна для летних дней в близких к экватору широтах в течении 1-2 часов. На широте Украины эта цифра снижается до 800 Вт/м . Но с учетом его снижения в другие времена года среднее солнечное излучение составляет 160-200 Вт/м . Но и это очень много с точки зрения производственной деятельности. Средняя плотность энергии, используемой в хозяйственной деятельности людей равна всего 0,02 Вт/м , доходя в наиболее интенсивных местах производственной деятельности (Рурский район Германии) до 20 Вт/м . В июле месяце 1 м горизонтальной поверхности получает до 6,4-7,5 кВтч в день.

Можно отметить положительные стороны солнечной энергии - "бесплатность", возобновляемость, огромные масштабы ресурсов. Однако нерегулируемый режим поступления её к поверхности земли (вращение Земли вокруг собственной оси и вокруг Солнца, облачность) создают значительные технические трудности её использования:

1) необходимость больших отражающих и поглощающих поверхностей;

2) необходимость систем ориентирования;

3) необходимость аккумулирования энергии.

Ежегодный прирост производства энергии на солнечных электростанциях составляет до 33%.

Наиболее известны в широких кругах и широко применяются непосредственные преобразователи.

Фотоэлектрические преобразователи.

Способ получения электроэнергии из солнечного света известен давно. Явление фотоэффекта наблюдал впервые Э. Беккерель в 1839 году. Но обратили внимание на это явление только в 1873 году, когда У. Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. В 50-е годы ХХ столетия появились кремниевые, солнечные элементы. За 30 лет их стоимость снизилась почти в 20 раз. В настоящее время их стоимость составляет 2-3 $/Вт. Однако стоимость электроэнергии, полученной с их помощью, превышает 20 центов за кВтч, что в 2-3 раза выше, чем на традиционных электростанциях. Это позволяет применять их пока только в автономных системах электроснабжения (калькуляторы, небольшие приемники, телефоны с аккумуляторными накопителями и т. д.). Солнцемобиль "Мечта" фирме Хонда (Honda) обошелся в 2 млн. $, его максимальная скорость равна 135 км/ч при средней скорости 90 км/ч на дистанции 3000 км.

Солнечные фотоэлементы продолжают совершенствоваться. Вначале это были монокристаллические элементы, состоящие из прозрачного n- слоя, затем р-слой и электропроводящая подложка. Позднее были разработаны многослойные фотоэлементы, каждый слой которых поглощает излучение определенной длины световых волн. С целью снижения стоимости разработаны фотоэлементы на аморфном кремнии с к. п. д. 7% и на сульфиде кадмия с к. п. д. 9%. Однако пока к.п.д. массово производимых фотопреобразователей не превышает 12-17%. Несмотря на более чем 10-кратное с 1980 по 2000 год увеличение объемов производства фотоэлектрических батарей стоимость электроэнергии, полученной с их помощью, не может пока конкурировать со стоимостью энергии традиционных электростанций. Срок службы фотоэлектрических преобразователей составляет 20-25 лет. Лидерами в производстве фотоэлектрических преобразователей являются США, Япония, Италия, Германия, Франция.

В Украине солнечные фотоэлектрические электростанции построены в Крыму, в районе посёлка Щёлкино (более 20 МВт), в Одесской области планируется и уже начато строительство 17 фотоэлектрических электростанций мощностью от 1,5 до 4 МВт каждая. Активное участие в этом строительстве принимают австрийская фирма Activ Solar и израильская компания SunElectra. Через 8-10 лет после того как окупятся капитальные вложения солнечная энергия станет сравнительно дешевой.

Возможно, революционные изменения в области фотоэлектрических преобразователей осуществят фотоэлектрические преобразователи на гибких подложках, использующие шаровидную форму углеродного полимера, получившего название фуллерин (Fullerin). В связи с возможностью его производства на роторных линиях стоимость таких преобразователей может быть значительно ниже по сравнению с кремниевыми фотоэлектрическими преобразователями. Одним из преимуществ фуллериновых преобразователей является отсутствие жесткой зависимости их производительности от ориентации на Солнце. По этому показателю новый материал чем-то подобен листьям растений.

Солнечные коллекторы

Значительно более высоким к.п.д. обладают солнечные коллекторы. В них энергия солнечного излучения преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. В первую очередь это обычный плоский солнечный коллектор. В 2000 году в мире использовалось около 2 млрд. солнечных коллекторов. Их используют для отопления и горячего водоснабжения. Традиционный солнечный коллектор представляет неглубокий, металлический, обычно штампованный ящик, в нижнюю часть которого уложен теплоизолятор. На теплоизолятор змейкой уложена трубка, по которой циркулирует теплоноситель. Сверху над трубкой расположены металлические (алюминиевые) пластины, имеющие теплопоглощающее покрытие. Трубка прикреплена к тепловоспринимающим пластинам. Сверху над пластинами расположено специальное стеклянное покрытие, которое с помощью силиконового герметика герметично закрывает внутреннюю полость коллектора. Основные показатели таких коллекторов рассмотрим на примере немецкого, солнечного коллектора EKS 3000. Габаритные размеры в мм - 2329 х 1053 х 110. Тепловоспринимающая поверхность - 2,121 м . Теплоизолятор - 80 мм стекловаты. Оптимальный расход теплоносителя - 40-60 л/ч м . Теплоноситель - пропиленгликоль 50%, вода 50%. Максимальная температура - более 200 C. Вес коллектора - 55 кг.

Компания General Electric Co разработала солнечный коллектор с высоким к.п.д. преобразования. Теплоноситель движется по стеклянной трубке находящейся внутри трубки большего диаметра. Пространство между трубками вакуумировано. За пределами трубок находятся только отражатель и тонкий слой теплоизоляции. Вакуумированные трубки являются лучшим теплоизолирующим материалом по сравнению с обычными пластинчатыми покрытиями. Тепловой к.п.д. таких гелиоколлекторов доведен до 0,9, то есть количество гелиоколлекторов, необходимое для отопления, может быть снижено на 30%. Использование высокотемпературного пенопласта при хорошей теплоизоляции обеспечивает отсутствие коробления конструкции даже при температурах около 180 C. Это позволило снизить вес коллектора до 14 кг/м по сравнению с 25-100 кг/м у коллекторов обычного типа. Это весьма важно, так как крыши частных домов не способны выдерживать массу обычных коллекторов. Испытания нового солнечного коллектора показали, что он может аккумулировать в три раза больше тепловой энергии в течение зимы в северных регионах США, чем обычный солнечный коллектор. Он эффективно работает в условиях сильных морозов и в пасмурные дни. По оценкам специалистов фирмы в сочетании с теплоаккумулирующим устройством новые коллектора в состоянии обеспечить отопительную нагрузку жилого дома с хорошей теплоизоляцией в любом регионе США. Стоимость такого коллектора составляет около 60 $/м . Задача состоит только в организации их производства на территории Украины.

Солнечные тарелки (миски)

Солнечные коллекторы не дают возможности поднять температуру теплоносителя до высоких значений при значительной отбираемой мощности, что делает невозможным использование теплоносителя для получения какого- либо другого вида энергии кроме тепловой для отопления и горячего водоснабжения. Для получения более высоких температур необходимо сконцентрировать солнечную энергию, поступающую на большую площадь, на тепловоспринимающую поверхность небольшой площади. Кроме этого необходимо ориентировать концентратор на Солнце в зависимости от времени суток и времени года, то есть по двум координатам, чтобы снизить стоимость энергоустановки (1 кВт/ м если концентратор перпендикулярен направлению солнечных лучей и 800 Вт/ м если концентратор расположен под углом 43 градуса. Сконцентрировать солнечное излучение можно с помощью линз или с помощью отражателей. Но так как линзы довольно дороги (стоимость стекла + стоимость его обработки), а также часть излучения отражают и часть поглощают, поэтому в качестве концентраторов используют отражатели. Такие солнечные установки, способные ориентироваться на Солнце и имеющие отражатели в виде части сферы, получили название солнечных тарелок (по-украински мисок). При диаметре отражателя равном 2 м мощность солнечной тарелки в течение большей части светового дня составляет около 3 кВт, а при диаметре 2,5 м - 5 кВт. Наращивание мощности до больших значений экономически целесообразно не за счет дальнейшего увеличения диаметра отражателя, а за счет роста числа элементарных установок, так как необходимо обеспечивать механическую прочность конструкции, которая должна выдерживать без разрушений и деформаций ветровую нагрузку, не прекращая ориентацию на Солнце. При диаметре отражателя равном 3 м и форме отражателя соответствующей парабаллоиду вращения солнечная энергия концентрируется в небольшом объеме (в фокусе) отражателя. Температура объекта помещаемого в это место может превысить 3500 C. То есть даже тугоплавкие металлы типа вольфрама в этом месте могут расплавиться (солнечные печи). Поэтому форму отражателя солнечной тарелки делают сферической, так дешевле и концентрация энергии происходит вдоль оси вращения отражателя, не достигая столь высоких значений температуры. Поверхность, отражающую солнечное излучение формируют из небольших по размерам трапецеидальных зеркал с малой толщиной стекла, которые наклеивают на внутреннюю поверхность тарелки по концентрическим окружностям. Оставшиеся зазоры заполняют водостойким герметиком, чтобы при замерзании влаги отражающие зеркала не были повреждены или оторваны льдом от тарелки. По оси солнечной тарелки устанавливают тепловоспринимающий элемент в виде концентрически расположенных труб. По зазору между наружной и внутренней трубой движется теплоноситель и осуществляется его нагрев, а по внутренней трубе он в виде нагретого теплоносителя или перегретого пара уходит к энергоустановке. Вид теплоносителя (вода, масло, фреон) определяется задачами энергоустановки. Область использования солнечных тарелок - энергообеспечение удаленных потребителей без подключения их к централизованным сетям при мощности потребления на уровне десятков киловатт (до 100 кВт).

Лекция № 6 Солнечная энергетика