А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

А.Б.Алхасов

Возобновляемые

источники

энергии

Допущено Учебно-методическим объединением вузов России по образованию в области энергетики

иэлектротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 140202 — «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» направления подготовки 140200 — «Электроэнергетика»

Москва Издательский дом МЭИ 2016

УДК 620.92(075.8) ББК 31я73

А 541

Р е ц е н з е н т ы:

директор Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН, член-корреспондент РАН, профессор М-Р. Д. Магомедов;

доктор техн. наук, профессор НИУ «МЭИ»

М. Г. Тягунов;

заведующий кафедрой гидротехнических сооружений Дагестанского государственного технического университета, доктор техн. наук, профессор И. А-Г. Сулейманов

Алхасов А.Б.

А 541 Возобновляемые источники энергии [Электронный ресурс]: учебное пособие / А.Б. Алхасов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — Загл. с тит. экрана.

ISBN 978-5-383-00960-4

Рассмотрены современное состояние и перспективы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), их энергетические, экономические и экологические характеристики. Приведены технологические схемы энергетических установок, принципы их работы и основы тепловых и гидродинамических расчетов.

Настоящее электронное издание подготовлено на основе одноименного печатного издания (2-е изд., стереотип.), вышедшего в Издательском доме МЭИ в 2016 году.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности 140202 — «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» направления подготовки 140200 — «Электроэнергетика».

УДК 620.92(075.8) ББК 31я73

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3

1.6.8. Геотермальная циркуляционная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 1.6.9. Геотермальные циркуляционные системы с теплообменными сепараторами в скважинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 1.6.10. Извлечение петрогеотермальной энергии . . . . . . . . . . . . . . . . 107 1.6.11. Геотермальные циркуляционные системы с наклонно направленными скважинами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

1.7. Использование геотермальной энергии для выработки электроэнергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

1.7.1. Развитие геотермальной электроэнергетики . . . . . . . . . . . . . . . 112 1.7.2. Технологические схемы геотермальных электростанций. . . . . 116 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Глава вторая. Теплонасосные системы теплоснабжения . . . . . . . . . . . . . 126 2.1. Тепловые насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.2. Теплонасосные системы теплоснабжения с низкопотенциальными

термальными водами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 2.3. Системы теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми

теплообменниками в вертикальных скважинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.4. Эколого-экономические аспекты использования тепловых насосов . 143 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Глава четвертая. Ветровая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4.1. Развитие ветроэнергетики в мире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4.2. Ветроэнергетические установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.3. Ветроэнергетический кадастр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

4

Глава пятая. Малая гидроэнергетика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 5.1. Достоинства и недостатки малой гидроэнергетики . . . . . . . . . . . . . . 206 5.2. Гидроэнергетический потенциал России и его использование . . . . . 207 5.3. Создание напора и основное оборудование ГЭС. . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4. Энергия и мощность ГЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 5.5. Гидроаккумулирующие электростанции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Глава шестая. Энергия биомассы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.2. Современные биоэнергетические технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 6.3. Биохимическая переработка органических отходов . . . . . . . . . . . . . . 223 6.4. Использование биомассы в России. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.5. Автономные теплоэлектростанции на пиролизном топливе . . . . . . . 231 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Глава седьмая. Использование энергии океана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.1. Океанические тепловые электрические станции. . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.2. Приливные электростанции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 7.3. Энергия течений и волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Глава восьмая. Экологические аспекты использования возобновляемых источником энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

8.1. Геотермальная энергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 8.2. Солнечные энергетические установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 8.3. Ветроэнергетические установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 8.4. Малая гидроэнергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 8.5. Энергия биомассы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 8.6. Энергия океана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

5

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — это альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, энергия малых рек, геотермальная энергия, энергия приливов, волновая энергия, а также энергия, определяемая разностью температур по глубине океана. Все перечисленные источники, кроме геотермальной энергии и энергии приливов относят к ВИЭ солнечного происхождения. Кроме того, к ВИЭ относятся различные отходы и источники низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами.

Главными преимуществами ВИЭ, определяющими интерес к ним, являются неисчерпаемость или возобновляемость, экологическая чистота и повсеместная доступность того или иного ВИЭ.

К недостаткам ВИЭ, ограничивающим их широкое применение, относят малую плотность энергетических потоков и непостоянство их во времени.

В России имеются значительные ресурсы ВИЭ. Практически во всех регионах существуют один или два типа ВИЭ, коммерческая эксплуатация которых может быть оправдана, при этом некоторые регионы богаты всеми типами возобновляемых источников. По экспертным оценкам экономический потенциал ВИЭ России составляет 270 млн т у.т/год [1—3]:

•геотермальная энергия — 115 млн т у.т/год;

•малые гидроустановки — 65,2 млн т у.т/год;

•биомасса — 35 млн т у.т/год;

•солнечная энергия — 12,5 млн т у.т/год;

•энергия ветра — 10 млн т у.т/год;

•низкопотенциальное тепло — 36 млн т у.т/год.

В настоящее время используется незначительная доля огромных запасов ВИЭ. Энергия от возобновляемых источников составляет около 4 % общей первичной поставки энергоресурсов, при этом две трети ее приходятся на гидроэнергетику, а одна треть — на все остальные типы источников.

Экономическая роль возобновляемой энергетики значительно повысилась, что связано с ростом цен на ископаемое топливо и падением затрат, связанных с разработкой ВИЭ.

6

Геотермальные установки представляют коммерческий интерес на Камчатке, Курильских островах, в Западной Сибири и на Северном Кавказе. Значительные ветроэнергетические проекты могут оказаться конкурентоспособными в прибрежной зоне российского Дальнего Востока, в степях Поволжья и на Северном Кавказе. На Северном Кавказе, Урале и в Восточной Сибири представляет интерес строительство небольших гидроустановок. Использование биомассы для целей энергетики имеет коммерческий смысл во многих регионах России, особенно на северо-западе страны, где хорошо развита целлюлозно-бумажная промышленность. В первую очередь широкое внедрение энерготехнологий на основе ВИЭ должно проходить на территориях, не обеспеченных централизованным энергоснабжением, и на которых используется дорогое привозное топливо.

В настоящее время сделаны первые шаги в направлении понимания важности использования ВИЭ. На их основе в ряде регионов реализованы высокоэффективные энергетические технологии. Согласно энергетической стратегии России на период до 2020 г., основными целями развития рынка возобновляемых энергоресурсов и местного топлива являются [3]:

•сокращение потребления невозобновляемых топливно-энерге- тических ресурсов;

•снижение экологической нагрузки от деятельности топливноэнергетического комплекса;

•обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

•снижение расходов на дальнепривозное топливо.

Необходимость развития возобновляемой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:

•обеспечении устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения;

•обеспечении гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии;

•снижении вредных выбросов от энергетических установок в местах со сложной экологической обстановкой и массового отдыха населения.

Материал учебного пособия основан на опыте проведения автором лекций студентам строительного и гидротехнического факультетов Дагестанского государственного технического университета. В учебном пособии рассмотрены практически все виды ВИЭ, более

7

детально — геотермальная энергия и проблемы, связанные с ее освоением, даны основы солнечно-водородной энергетики.

Автор признателен чл.-корр. РАН М-Р.Д. Магомедову, докт. техн. наук, проф. М.Г. Тягунову и докт. техн. наук, проф. И. А-Г. Сулейманову за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи.

8

Г л а в а п е р в а я

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

1.1.Источники тепла в недрах Земли

изакономерности его передачи

1.1.1. Источники тепла

Земля обладает тепловой энергией внешнего (экзогенного) и внутреннего (эндогенного) происхождения. Основными источниками внутренней тепловой энергии являются:

•радиоактивные элементы период полураспада которых, меньше периода формирования Земли. Такие элементы распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время;

•приливы, вызванные притяжением Солнца и Луны. Из-за этих факторов за время существования Земли выделилось до 30 % теплоты радиогенного происхождения;

•гравитационная дифференциация вещества Земли и его расслоение с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки;

•тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации;

•физико-химические процессы, протекающие в недрах Земли. Радиоактивные элементы в земной коре составляют миллионные

доли грамма на грамм породы. Однако за время существования нашей планеты образовавшегося тепла оказалось достаточно для разогрева внутренних слоев Земли, обусловившего развитие таких процессов как вулканизм, метаморфизм, землетрясения, тепловое излучение и др.

Формирование тепла Земли тесным образом связано с историей происхождения нашей планеты. Согласно новейшей гипотезе (О.Ю. Шмидт и др.), образование планет, и в том числе Земли, произошло в результате сгущения протопланетного облака пыли, вращающегося вокруг Солнца [73]. Первоначальное вещество планет, находящееся в холодном состоянии, под влиянием сгущения вещества планеты и внутреннего тепла от радиоактивного распада элементов стало постепенно разогреваться, что вызвало впоследствии дифференциацию вещества и образование оболочек Земли. Образование

9

из первичного холодного вещества современных оболочек Земли происходило по мере его зонного плавления. Возникающие при этом сложные физико-химические процессы приводили к тому, что легкоплавкие вещества поднимались из глубин Земли к ее поверхности, а тяжелые компоненты опускались к ядру. В процессе зонной плавки происходило расслоение нашей планеты на определенные оболочки, а также высвобождение огромной энергии. По мнению академика А.П. Виноградова, именно в результате зонной плавки вещества планеты, происходящей под влиянием энергии радиоактивного распада, образовались оболочки Земли: атмосфера, гидросфера и твердая оболочка.

Кроме тепла, поступающего из недр, земная поверхность получает энергию излучения Солнца в течение всего года. Температура самых верхних слоев земной коры зависит от поступления солнечного тепла. Суточные изменения температуры распространяются на глубину не более 1—2 м. До глубины 20—25 м температура слоев сезонно изменяется. На этой глубине находится пояс постоянной годовой температуры (нейтральный слой), равной средней годовой температуре воздуха на поверхности Земли. Верхняя часть земной коры, располагающаяся выше нейтрального слоя и испытывающая влияние солнечного тепла, получила название гелиотермической зоны.

Нейтральный слой в разных районах земной поверхности располагается на различных глубинах. Последнее зависит от амплитуды температур на поверхности и теплопроводности горных пород: чем резче колебания температур и выше теплопроводность горных пород, тем глубже находится нейтральный слой. Например, температура нейтрального слоя Москвы и зафиксированного на глубине 20 м составляет 4,2 °С.

Ниже нейтрального слоя находится геотермическая зона, для которой свойственно тепло, генерируемое Землей. Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. В качестве носителей этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Среднее значение теплового потока, поступающего из недр к поверхности,

составляет примерно 0,03 Вт/м2 [68].

1.1.2. Термические свойства горных пород

Теплопроводность, тепловое сопротивление, теплоемкость и температуропроводность относят к термическим свойствам горных пород.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, или удельной теплопроводностью. Значение коэффициента

10