Учебное пособие 1986

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Ученые из Стэнфордского университета произвели презентацию углеродных фотоэлементов (см. рис. 12.4). Углеродные солнечные панели могут выдержать температуру вплоть до 600 градусов выше нуля (по Цельсию). Кроме того, эти панели можно сделать, во-первых, гибкими, во-вторых, сверхтонкими.

При производстве углеродных фотоэлементов не требуются дорогие методы создания или редкие материалы. Нужны углеродные нанотрубки (толщина их примерно в 10000 раз меньше, чем толщина человеческого волоса) и молекулы углерода, которые получили название «buckyballs» (благодаря своей форме и структуре, напоминающей футбольный мяч). В фотоэлементах такого типа не используются оксиды индия, олова или серебро. Только углерод в разных его формах.

Рис. 12.4. Углеродный фотоэлемент

[https://www.idtechex.com/research/articles]

71

К сожалению, пока КПД углеродных фотоэлементов менее 1%, что значительно ниже, чем у коммерческих фотоэлементов из стандартных материалов. Однако активно ведётся работа по повышению эффективности углеродных солнечных панелей.

13. Гидроэнергетика

Гидроэнергетика – область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию (см. рис. 13.1).

Рис. 13.1. Доля выработки различных видов электроэнергии в России

Преимущества использования энергии водных потоков: использование возобновляемой энергии; дешевизна вырабатываемой электроэнергии;

работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу; быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим вы-

дачи рабочей мощности после включения станции.

72

Недостатки использования энергии водных потоков: затопление пахотных земель; необходимость наличия больших запасов воды;

опасность возведения на горных реках из-за высокой сейсмичности районов и неравномерности водных потоков;

вред окружающей среде.

Сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращению трофических цепей, снижению численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышению агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновению мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточному увлажнению пойменной почвы, негативным растительным сукцессиям (обеднение фитомассы), сокращению потока биогенных веществ в океаны.

Волновая электростанция. Принцип действия данной электростанции заключается в использовании устройств, трансформирующих энергию волн в электрическую энергию. Система состоит из «поплавков» PowerBuoys, которые смогут обеспечивать электричеством жилые дома (типовые коттеджи) в течение всего года (см. рис. 13.2). Первая подобная электростанция – «поплавки» появилась на Гавайях.

Каждый из поплавков содержит внутри расположенный «поршень», который перемещаясь вверх-вниз на поверхности воды, генерирует электричество. Полученное электричество передаётся на берег по подводным кабелям. Каждый из «поплавков» имеет «маячок» и несколько сенсоров, которые позволяют работникам электростанции с легкостью отслеживать каждый элемент системы. Кроме того, каждым из «поплавков» можно удаленно управлять, настраивая элементы на максимальную эффективность.

73

Рис. 13.2. Внешний вид PowerBuoys [http://www.muhaz.org/turkiyede-yenilenebilir-enerji-durumu- emine-sigirtmac-13370310.html?page=3]

Приливные турбины. Использовать энергии волн можно так же с помощью приливных турбин – «подводных змей» (см. рис. 13.3). Технология представляет собой турбину с крылом прикрепленную ко дну на кабеле длиной в 100 метров. Одно из достоинств технологии – небольшой размер – около 12 метров.

Рис. 13.3. Внешний вид приливных турбин

[http://vestnikk.ru/tags]

74

Уже есть похожий способ получения энергии, это так называемые заградительные плотины, похожие на гидростанции. Они используют схожую технологию приливов. Однако «морские змеи» выигрывают тем, что работают эффективнее при низкой скорости течения, а также на больших глубинах, что позволяет их устанавливать практически в любом месте.

14. Тепловые насосы

Применение тепловых насосов обеспечивает высокий комфорт при более низких эксплуатационных затратах, по сравнению с традиционными системами тепло- и хладоснабжения. Системы, работающие с использованием тепловых насосов, утилизируют тепло, которое в другом случае было бы выброшено в окружающую среду. Тем самым снижается тепловой загрязнение. В настоящее время накоплен большой практический опят использования ТН для комплексного теплохладоснабжения. Практическая эксплуатация подобных систем показала их высокую ненадёжность и экономичность.

Тепловые насосы (ТН) – это устройство для переноса тепла от теплоотдатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой при подводе энергии из вне. В основе работы практически всех видов тепловых насосов лежит Цикл Карно.

Цикл Карно – это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов (см.

рис. 14.1).

Тепловой насос состоит из компрессора, конденсатора, дросселя и испарителя (см. рис. 14.2) [16].

Внутри теплового насоса циркулирует хладагент. Хладагент – это рабочее вещество холодильной машины (имеет низкую температуру кипения при давлениях выше атмосферного).

75

Рис. 14.1. Рабочий цикл теплового насоса

Рис. 14.2. Схема устройства теплового насоса

Для работы теплового насоса необходимо наличие низкопотенциальных источников тепла (НТПИ), откуда он «перекачивает» тепло. НТПИ могут быть (см. рис. 14.3):

76

поверхностные воды; грунт; сточные воды;

отработанный воздух; оборотная вода; грунтовая воды; солнечная радиация и т.д.

Виды низкопотенциальных источников тепла имеют как преимущества, так и недоставки их использования. Рассмотрим основные из них [8].

Рис. 14.3. Виды низкопотенциальных источников тепла и разнообразие областей использования ТН

77

1. Поверхностные воды.

Преимущества НТПИ: доступность, высокая стабильность, относительно постоянный запас мощности и температуры.

Недостатки НТПИ: сложность строительства и дороговизна теплообменников ТН (см. рис. 14.4), сезонные колебания температуры источника.

2. Грунт.

Преимущества НТПИ: доступность, малые колебания температуры (ниже уровня промерзания грунта), относительно постоянный запас мощности.

Недостатки НТПИ: сезонные и дневные колебания температуры (выше уровня промерзания грунта), стоимость грунтового теплообменника (см. рис. 14.5).

Рис. 14.4. Теплообменный аппарат перед погружением в воду

[http://terranica.ru/heatpumpwatertowater]

78

Рис. 14.5. Монтаж грунтового теплообменника

[http://stroychik.ru/raznoe/alternativnaya-energiya]

3. Сточные воды.

Преимущество НТПИ: высокая температура (16-30°С). Недостатки НТПИ: химически агрессивны, наличие

мелкодисперсных примесей, неравномерный характер поступления (из-за неравномерности водоразбора в течение дня)

(см. рис. 14.6).

Рис. 14.6. Пример устройства системы, использующей в качестве НТПИ сточные вод

79

4. Грунтовые и геотермальные воды.

Преимущества НТПИ: использование на месте извлечения, снижение капитальных затрат из-за отсутствия трубопроводов и емкостей для хранения источника низкопотенциальной теплоты, количество колеблется незначительно, постоянная и достаточно высокая температура в течение года (8 10°С), нет взвесей и мелкодисперсных примесей, хороший природный аккумулятор энергии.

Недостатки НТПИ: не повсеместная доступность; высокая стоимость бурения скважин, высокая минерализация, отсутствие сведений о химическом составе и температуре источника до начала бурения.

5. Оборотная техническая вода.

Преимущества НТПИ: повышение количества вырабатываемой энергии, сокращение потерь циркуляционной воды и затрат на её перекачку (см. рис. 14.7).

Рис. 14.7. Пример устройства системы, использующей в качестве НТПИ оборотную техническую воду

80