6790

41

6.3 Приложение В

(справочное)

42

6.4 Приложение Г

(справочное)

Генеральное направление решения проблемы – использование возобновляемых энергетических ресурсов

Многолетние наблюдения за солнечным излучением, достигающим Земли, и

производными солнечной энергии – возобновляемыми энергоресурсами свидетельствуют о том, что их среднегодовые показатели изменяются незначительно. В средних широтах в солнечный день на 1 м2 поверхности, перпендикулярной лучам Солнца, падает поток энергии 0,8 кВт, в тропиках 1 кВт. При сплошной облачности мощность солнечного излучения снижается примерно до 0,2 кВт/м2 . В средних широтах в течение суток воспринимается около 2,26 кВт-ч/ м2 солнечной энергии (летом 3,78 и зимой 0,69 кВт-ч/

м2).

Суммарная мощность солнечного излучения у поверхности Земли эквивалентна годовому потреблению 2*1013 т условного топлива. Легко подсчитать, что за счет

поискам возможностей практического использования солнечной энергии.

Прямое использование энергии солнечного излучения может осуществляться для получения тепловой и электрической энергии, а также для дополнительного получения

излучения в специальных устройствах – приѐмниках солнечного излучения и передачей теплоты жидкому или газообразному теплоносителю. При использовании приѐмников плоского типа можно нагревать теплоноситель до 60-120°С. Параболические зеркала с простым механизмом ориентации позволяют достигать 120-150°С, а с автоматической ориентацией – 200-600°С. С использованием системы зеркал – солнечных печей можно получать температуру теплоносителя до нескольких тысяч градусов.

2. Преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию может осуществляться непосредственно и с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую. Каждая из этих возможностей может быть реализована различными путями, в частности фототермическое преобразование может быть «машинным», когда

43

преобразование тепловой энергии в электрическую происходит аналогично тепловым

электростанциям, или безмашинным.

В каждом из возможных направлений к настоящему времени имеются инженерные разработки, которые позволяют дать технико-экономические оценки крупномасштабного

использования энергии солнечного излучения.

Фототермическое машинное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию осуществляется на солнечных тепловых электростанциях (СТЭС)

отражательной и поглотительной способности приѐмника и парогенератора и может достигать 45%. Общий к.п.д. СТЭС зависит также от к.п.д. термодинамического цикла,

величина которого определяется температурным диапазоном рабочего тела.

В настоящее время имеются только опытные СТЭС с турбинами небольшой мощности. Проектируются установки мощностью до 1000 кВт и более с турбинами водяного пара, турбинами на парах жидких металлов и с газовыми турбинами.

Разрабатываются также СТЭС с воздушными турбинами, в которых рабочим телом служит воздух, нагреваемый солнечным излучением.

Исходя из того, что в космическом пространстве плотность потока солнечного излучения в 1,5 раза больше, чем в наземных условиях, а также учитывая круглосуточность солнечного сияния и отсутствие облачности, можно рассчитывать на получение с единицы поверхности космического приѐмника значительно большего количества энергии по сравнению с наземным. Разрабатываются проекты космических орбитальных СТЭС с паровыми и газовыми турбинами.

По одному из проектов такая солнечная электростанция мощностью 10 млн. кВт состоит из 40 блоков. Диаметр приѐмника солнечного излучения у каждого блока составляет

1,5 км. Энергия передаѐтся на Землю в виде концентрированного пучка микроволнового излучения.

Фототермическое безмашинное преобразование лучистой энергии осуществляется при использовании термоэлектрических элементов. Эффективность таких термоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую зависит от начальной температуры термоэлементов, разности температур горячих и холодных спаев термоэлементов и от теплофизических и электрофизических свойств материалов термоэлементов.

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения в электроэнергию

44

основано на освобождении электронов проводимости в приѐмнике солнечного излучения непосредственно под воздействием энергии квантов лучистой энергии Солнца. Энергия этих квантов на р-п переходе полупроводниковых материалов возбуждает фототок,

пропорциональный заряду и числу электронов. В настоящее время основным материалом для фотоэлектрических преобразователей служит кремний. К.п.д. серийно выпускаемых кремниевых фотоэлементов достиг 6-8%, ожидается его повышение до 10-12%

(теоретически до 14%).

К настоящему времени накоплен значительный опыт использования кремниевых фотоэлементов для энергоснабжения искусственных спутников Земли, орбитальных и межпланетных космических аппаратов. Разработаны проекты космических солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) для энергоснабжения потребителей на Земле.

Для выявления реальных технико-экономических показателей СФЭС предстоит решение многих конструктивных, технологических и других проблем.

Фотохимическое преобразование энергии солнечного излучения основано на использовании закономерностей фотосинтеза, в котором кванты лучистой энергии расходуются на осуществление химических превращений в биологически активных средах. Выявлен ряд видов растений, в которых реакции фотосинтеза происходят с весьма высокой эффективностью. В то же время реализация фотосинтеза в целях наработки энергетических ресурсов весьма проблематична.

Солнечные нагревательные и холодильные установки используют энергию солнечного излучения для отопления, кондиционирования и других технологических процессов. В зоне умеренного климата при площади приѐмников солнечного излучения 4 - 5 м2 обеспечивается примерно половина потребности в тепловой энергии на человека. В

Советской Союзе и во многих зарубежных странах в настоящее время интенсивно разрабатываются солнечные установки для отопления и кондиционирования крупных зданий, холодильные и нагревательные установки для технологических процессов.

Солнечные осветительные установки (СОУ) могут представлять собой набор зеркал большой площади, расположенных на орбитах искусственных спутников Земли и ориентированных на заданные точки Земли. Крафт Эрике предложил СОУ двух типов:

Лунета, обеспечивающая освещение подобно Луне, и Солета, обеспечивающая освещение подобно солнечному (20-30%). Назначение Лунеты – ночное освещение городских районов, исключающее необходимость электрического освещения улиц; Солета предназначена для увеличения периода освещенности полей и повышения за счѐт этого урожайности сельскохозяйственных: культур, которые лучше развиваются при удлинении светового дня.

45

Как и солнечные нагревательные установки, СОУ не будут оказывать никаких загрязняющих воздействий на окружающую среду.

Косвенное использование энергии солнечного излучения, как и других возобновляемых ресурсов, также направлено на получение электрической или тепловой энергии, необходимых для удовлетворения потребностей человека. Такими источниками являются кинетическая и потенциальная энергия геосфер, возникающая во взаимодействии с излучением Солнца, а также энергия приливо-отливных,

вулканических, тектонических и других сложных процессов и явлений.

Ветровые электростанции (ВЭС), как и другие устройства, использующие энергию ветра для удовлетворения энергетических потребностей человека, целесообразно применять в районах, где средние скорости ветра выше 4-5 м/сек.

К началу текущего десятилетия во всем мире эксплуатировалось около 700 тыс.

ветроагрегатов различного назначения мощностью до нескольких киловатт. В РА была разработана серия агрегатов мощностью от 1 до 100 кВт.

Наиболее мощная ВЭС – 650 кВт с ветровым колесом диаметром 30 м

эксплуатируется во Франции. Проектируются установки мощностью 1000-5000 кВт.

У ВЭС мощностью 20 МВт диаметр ветрового колеса около 130 м, высота мачты 250

м. Известны проекты ВЭС плавучего типа и на намывных островах. Перспективны ВЭС большой мощности с горизонтальными колѐсами и с воздушными турбинами.

Предполагается, что стоимость электроэнергии серийных ВЭС будет на уровне стоимости еѐ на АЭС.

Океанические ТЭС (ОТЭС). Потенциал температурного градиента южных морей и океанов составляет миллиарды кВт. В ряде стран разрабатываются проекты ОТЭС, в

которых поверхностная вода с температурой 25-30° С используется для испарения жидкости с низкой температурой кипения (аммиак, фреон, изобутан), а конденсатор охлаждается глубинной водой с температурой 6-8°С.

К.п.д. ОТЭС при нагреве рабочего тела на 10-12°С составляет 3-4%. Удельные капиталовложения ОТЭС мощностью 160 МВт по проекту фирмы «Локхид» - 2000 долл/кВт в варианте с парами аммиака и 450 долл/кВт в варианте с водяным паром. Стоимость электроэнергии 0,7-0,9 цент/кВт* ч.

Приливные и волновые электростанции (ПЭС). Использование энергии приливов экономически выгодно при амплитуде уровня не менее 3-4 м. Мировой потенциал приливных электростанций оценивается в миллиарды кВт. В СССР с 1968 г.

Эксплуатируется Кислогубская ПЭС, во Франции с этого же времени – ПЭС Ране. В

Мезенском заливе Белого моря может быть построена ПЭС мощностью 14 млн. кВт. Во

46

Франции имеются проекты ПЭС Шозе и Менке мощностью по 10 млн. кВт, в

Великобритании имеется проект мощной ПЭС Севери.

Приливные электростанции пока не нашли распространения из-за недостаточного опыта строительства и эксплуатации и больших капитальных затрат, которые в будущем ожидаются на уровне речных ГЭС.

Потенциал морских волн составляет 1-2 млрд. кВт. В Великобритании предполагается сооружение у побережья страны волновых электростанций,

вырабатывающих ежегодно 115 млрд. кВт-ч электроэнергии (половина современной выработки в стране). В Японии строится опытная волновая электростанция мощностью

2000 кВт, размещаемая на плоскодонном судне длиной 80 и шириной 13 м.

Потенциал океанических течений составляет 1,5 млрд. кВт. Пока ещѐ нет детально разработанных проектов гидротурбин и гидротехнических сооружений для использования этого источника энергии.

Геотермальные ТЭС (ГТЭС). Мощность теплового потока из недр Земли к еѐ поверхности определяется теплопроводностью горных пород и геотермическим градиентом, среднее значение которого равно 0,03 град/м. На глубине до 3 км геотермальные ресурсы эквивалентны примерно 300* 1010 т условного топлива. Средняя плотность геотермального потока - 0,063 Вт/м, чему соответствует возможная суммарная мощность ГТЭС порядка 30 млрд. кВт.

В РФ геотермальные источники имеются во многих регионах страны. Прогнозные запасы термальных вод составляют 20 млн. м /сут. Выявлено около 50 бассейнов горячих вод с температурой 70-200°С. Термальная вода используется в ряде районов для отопления зданий, горячего водоснабжения, отопления теплиц и других целей.

Планируется теплофицировать термальными водами ряд крупных городов. Стоимость геотермальной энергии при сроке службы скважин 25-30 лет составляет 1-2 руб/Гкал.

Применяются одноконтурная и двухконтурная схемы ГТЭС. По одноконтурной схеме выполнено большинство ГТЭС, в том числе Паужетская ГТЭС на Камчатке. По двухконтурной схеме работает Паратунская ГТЭС на Камчатке (рабочее тело турбины – фреон). Фреоновые турбины созданы также в Японии. В США разработаны турбины на парах изобутана. Применение паров жидкостей с низкой температурой кипения позволяет уменьшить габариты и массу турбоагрегатов ГТЭС за счѐт более высокого давления пара

(меньшего удельного объѐма).

Одним из возможных направлений использования геотермальной энергии и создания ГТЭС, обладающих высоким к.п.д., является нагрев рабочего тела до высокой температуры вблизи очагов вулканов.

47

Комплексное рассмотрение проблемы использования возобновляемых энергетических ресурсов показывает, с одной стороны, неизбежность и необходимость их скорейшего освоения и поисков новых источников. С другой стороны, практическое использование этих источников для энергопотребления требует решения сложных задач концентрации, преобразования, аккумулирования и передачи энергии.

В то же время, очевидно, что, несмотря на столь значительные усилия и удорожание,

при существующей технологии производства энергии основные процессы воздействия на окружающую среду: потребление не возобновляемых естественных энергоресурсов,

потребление кислорода воздуха, выброс огромных количеств газообразных продуктов сгорания и тепловой энергии (называемой «наработкой энтропии»), как и многие другие,

нарушающие естественные равновесные процессы, продолжаются в нарастающих масштабах.