Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие
.pdf
Кадры
для региона
Кафедра
«Промышленная
теплоэнергетика»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев
НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Учебное пособие
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
УДК 620.92(07)
Г93
Рецензенты:
кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» ФГБОУ ВПО
«Тамбовский государственный технический университет»; канд. техн. наук,
доц. Н.Е. Осипов
Губарев В.Я.
Г93 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учеб. пособие /
сост. В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев. – Липецк: Изд-во Липецкого
государственного технического университета, 2014. – 72 с.
ISBN 978-5-88247-672-3
Настоящее учебное пособие предназначено для организации
самостоятельной работы студентов направления «Теплоэнергетика и
теплотехника» по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники
энергии». В пособие включены необходимые теоретические сведения,
методики расчета и задания для самостоятельного решения.
Табл.3. Ил.14. Библиогр.: 8 назв. УДК 620.92(07)
Печатается по решению редакционно-издательского совета ЛГТУ.
ISBN 978-5-88247-672-3
© ФГБОУ ВПО «Липецкий
государственный технический
университет», 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Возобновляемые источники энергии ................................................. 4
1.1. Классификация источников энергии ........................................................ 4
1.2.Особенности применения возобновляемых энергетических ресурсов 10
1.3.Перспектива использования возобновляемых источников
энергии в России ............................................................................................ 17
Глава 2. Солнечная энергия ............................................................................. 20
2.1. Общие сведения о солнечной энергии ................................................... 20
2.2. Солнечная энергетика в России и в мире .............................................. 22
2.3. Преобразователи солнечной энергии ..................................................... 24
2.4. Расчет плоского солнечного коллектора ............................................... 34
Глава 3. Ветроэнергетика ................................................................................. 39
3.1. Общие сведения о ветроэнергетике ....................................................... 39
3.2. Классификация ветроустановок ............................................................. 41
3.3. Ветроэнергетика в России и в мире ....................................................... 51
3.4.Принципы расчета ветроустановок ......................................................... 54
Глава 4. Энергия волн ....................................................................................... 58
4.1.Использование энергии волн ................................................................... 58
4.2. Устройства по преобразованию энергии волн ...................................... 61
4.3. Принципы расчета волновых преобразователей
поплавкового типа .......................................................................................... 68
Библиографический список ............................................................................. 71
3
Глава 1. Возобновляемые источники энергии
1.1. Классификация источников энергии
На сегодняшний день одним из основных источников энергии является
химическая энергия находящихся в недрах земли природных соединений. К
таким соединениям относят нефть, уголь, торф, природный газ. С середины 20
века к ним добавилась ядерная энергетика.
Первоначально энергия, запасенная в этих источниках, в основном
исходила от Солнца. Внутри Солнца в результате сложного процесса ядерного
синтеза атомы водорода, соединяясь, образуют атомы гелия. При этом 1 кг
водорода обеспечивает выделение 2,5·109 кДж теплоты. Ежегодно к нашей
планете поступает солнечная энергия, эквивалентная 2,5·1027 Дж. Эту величину
иногда называют солнечной единицей. Солнечное воздействие
трансформируется в тепловую энергию поверхности земли, энергию волн,
ветра, химическую и биологическую энергии. После всех преобразований часть
этой энергии выделяется обратно в космическое пространство
преимущественно в виде низкотемпературного инфракрасного излучения. Тем
не менее, энергию природных соединений, находящихся в недрах Земли, можно
считать невозобновляемыми источниками энергии, так как они запасают
ничтожное количество солнечной энергии, а скорость их расходования
человечеством во много раз превышает скорость их образования, что рано или
поздно приведет к их исчерпанию. Это их первый общий недостаток –
невозобновляемость и исчерпаемость. Второй большой общий недостаток
использования таких источников энергии – огромный экологический вред
природе.
Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки использования каждого
традиционного (невозобновляемого) источника энергии.
Уголь образовался за сотни миллионов лет из остатков отмерших растений
под действием давления, температуры и микроорганизмов. Уголь был первым
невозобновляемым энергоисточником, который стал использовать человек.
Уголь как источник энергии опасен для окружающей среды – при его сжигании
4
образуются ядовитые газы, такие, как угарный газ (окись углерода), сернистый
газ (двуокись серы) и газы, неблагоприятно влияющие на климат, например,
углекислый газ. Никакой другой тип невозобновляемого энергоисточника не
выбрасывает так много углекислого газа, как уголь. К вредным загрязнениям
также относятся угольная пыль и сажа. При сжигании угля только одна треть
тепла расходуется на производство электроэнергии, остальные же две трети
тепловой энергии отводятся в атмосферу. Стоит отметить, что при добыче угля
существует много трудностей: сложные системы вентиляции шахт, техника
безопасности на шахтах, восстановление земель, из которых добывается уголь.
Тем не менее, уголь – это дешевый, доступный и стабильный источник энергии.
Торф – ценнейший природный материал. Это самое молодое ископаемое,
образующееся на болотах при разложении отмерших частей деревьев,
кустарников, трав и мхов. По сути, это молодой уголь. Растения после
отмирания попадают в сильно увлажненную, бедную кислородом среду и
разлагаются только частично, поэтому их остатки из года в год накапливаются.
Основные достоинства торфа как энергоносителя: низкая себестоимость, малое
количество образующихся при сжигании соединений серы, достаточно полное
сгорание (малое количество образующейся золы). Недостатки: низкая теплота
сгорания, трудности сжигания из-за высокого содержания влаги (до 65%). При
высокой степени прессования (торфяной брикет) влажность снижается, но при
этом повышается стоимость. Многие специалисты считают, что торф является
перспективным топливом. Но так же как и другие виды ископаемых ресурсов,
торф расходуется быстрее, чем образуется. Кроме того, для добычи торфа
осушаются болота – ценнейший ресурс питания рек, место обитания множества
видов живых организмов, что негативно сказывается на экологической
обстановке.
Нефть – природное ископаемое, энергоноситель, легковоспламеняющаяся
жидкость, которая находится в горных породах на глубине от нескольких
метров до нескольких километров. Нефть является не только источником
энергии. Она служит также сырьем для нефтехимической промышленности,
5
производства пластмасс и даже лекарств, что говорит о ее высокой
технологичности. 92% добываемой нефти используется в качестве топлива, а
8% – как ценное химическое сырье. При сжигании нефтепродуктов в атмосферу
выбрасывается большое количество углекислого газа, выделяются угарный газ,
соединения свинца, оксиды азота и серы, вызывая болезни растений, животных,
человека. Сегодня на долю нефти приходится почти 40% производимой в мире
энергии. Но большинство специалистов считает, что к середине XXI века
потребление нефти на нужды энергетики резко сократится, так как ее запасы
быстро истощаются.
Около 25% энергии в мире на сегодняшний день производится из
природного газа. Природный газ, как нефть и уголь, образовался в земле из
останков растительного и животного происхождения. Содержание энергии в
природном газе почти такое же высокое, как в нефти. Природный газ
используется как топливо на электростанциях и в быту. Природный газ
является самой чистой формой невозобновляемой энергии: в нем очень низкое
содержание ядовитых веществ, он может сгорать очень быстро, прост в
использовании. Тем не менее, проблемы выбросов углекислого газа при
использовании природного газа остаются. Кроме того, через несколько
десятилетий ресурсы природного газа на земле могут быть исчерпаны.
Все приведенные выше источники энергии относятся к органическому
топливу. В процессе их горения образуется ряд вредных соединений – оксиды
углерода, азота и летучая зола.
Рассмотрим влияние вредных выбросов на человека и окружающую среду.
Оксиды азота NOx весьма токсичны для человека. Они обладают резко
выраженным раздражающим действием, особенно на слизистую оболочку глаз,
и способны глубоко проникать в легкие, вызывая повреждения альвеолярного
эпителия и бронхов. У людей снижаются дыхательные функции, повышается
число респираторных заболеваний. Длительное воздействие оксидов азота NOx
даже при концентрациях 2 мг/м3 приводит к хлорозу растений. Диоксид азота,
находящийся в воздухе с концентрацией 4 – 6 мг/м3, вызывает острое
6
повреждение растений. Оксиды азота, поглощая естественную радиацию,
снижают прозрачность атмосферы и способствуют образованию
фотохимического тумана – смога.
За последнее столетие наблюдается заметное возрастание содержания СО2
в атмосфере, что не оказывает влияния на людей и животный мир, но может
при дальнейшем повышении содержания этого вещества определенным
образом повлиять на климат планеты. Это влияние связано с возникновением
так называемого парникового эффекта, обеспечивающего общее негативное
воздействие на биосферу.
Вредное влияние на человека и природу оказывает также летучая зола,
обеспечивая повышенное поступление тяжелых металлов в почву и водоемы.
Ядерная (атомная) энергия – самый большой в мире источник энергии, у
которого нет вредных выбросов CO2. Сегодня во всем мире атомные
электростанции дают примерно 17% производимой на Земле электроэнергии.
Запасы урана не расходуются так быстро, как запасы нефти, газа и угля,
поэтому ядерная энергетика является достаточно стабильным вариантом
энергетики, по сравнению с энергетикой на основе ископаемого топлива. Это
надежный источник, поскольку атомные электростанции непрерывно служат в
течение очень долгого времени. Здесь нет выбросов парниковых газов. Ядерная
энергия экономически выгодный источник энергии, так как из небольшого
количества топлива можно произвести огромное количество энергии.
Отрицательной стороной ядерной энергетики является утилизация ядерных
отходов. Использованное ядерное топливо остается опасным в течение
длительного времени. Утилизация ядерных отходов – дорогостоящее и опасное
для окружающей среды занятие. Кроме того, тяжелые металлы и другие
загрязнители могут попасть в окружающую среду вместе с водой,
используемой для охлаждения реакторов. Вопреки мифу о дешевизне атомной
энергии, она является самой дорогой, если учесть все расходы, включая добычу
и транспортировку радиоактивного сырья, строительство АЭС, переработку и
захоронение радиоактивных отходов. Утечка радиации в результате аварии
7
может стать настоящей катастрофой и привести к неизлечимым заболеваниям
среди людей и к смерти. Последствия аварий на АЭС сравнимы с
последствиями атомных бомбардировок по количеству жертв и по загрязнению
окружающей среды.
Все эти факторы заставляют искать альтернативные источники энергии,
лишенные приведенных выше недостатков. К таким источникам относят
возобновляемые источники энергии – ВИЭ.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это энергоресурсы
постоянно существующих природных процессов на планете, а также
энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительного и
животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ является
цикличность их возобновления, которая позволяет использовать эти ресурсы
без временных ограничений.
Обычно к возобновляемым источникам энергии относят энергию
солнечного излучения, потоков воды, ветра, биомассы, тепловую энергию
верхних слоев земной коры и океана.
Потенциальные возможности ВИЭ практически неограниченны, но
несовершенство техники и технологии, отсутствие необходимых
конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать
ВИЭ в энергетический баланс. Однако за последние годы в мире особенно
заметен научно-технический прогресс в сооружении установок по
использованию ВИЭ и в первую очередь фотоэлектрических преобразователей
солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.
В связи с этим в будущем неизбежна перестройка структуры энергетики с
переходом к использованию экологически чистых и возобновляемых
источников энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода
к устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечивающей
экономический рост и повышение уровня жизни людей, что невозможно без
увеличения энергопотребления, и снижение негативного воздействия человека
на окружающую среду до безопасного уровня, позволяющего избежать в
долгосрочной перспективе катастрофических последствий.
8
Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников
энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и
конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями.
Это объясняется следующими причинами:
Неисчерпаемость ВИЭ;
Отсутствие потребности в транспортировке;
Экологичность ВИЭ;
ВИЭ экономически выгоднее, чем традиционные ресурсы.
Также, к преимуществам перехода на энергетику с использованием ВИЭ
можно отнести устранение рисков, связанных с атомной энергетикой
(возможность аварий, проблема захоронения радиоактивных отходов),
уменьшение последствий возможного энергетического кризиса, сокращение
затрат на невозобновляемые ресурсы, прежде всего нефть и газ, а также
снижение выбросов парниковых газов.
В целом можно сделать вывод, что необходимость использования
возобновляемых источников энергии определяется следующими факторами:
исчерпанием в ближайшем будущем запасов органического топлива;
загрязнением окружающей среды окисями азота и серы, углекислым
газом, пылевидными остатками от сгорания добываемого топлива,
радиоактивным загрязнением и тепловым перегревом при использовании
ядерного топлива;
быстрым ростом потребления электрической энергии.
9
1.2. Особенности применения возобновляемых энергетических ресурсов
ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:
механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);
тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла
Земли);
химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).
О качестве источников энергии говорят часто, но, как правило, не
поясняют, что же это такое. Под качеством источника энергии будем понимать
долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую
работу.
По этому признаку возобновляемые источники энергии можно разделить
на три группы:
1. Источники механической энергии, как, например, гидро-ветро-
источники, волновые и приливные. В целом качество этих источников энергии
высокое, и они обычно используются для производства электроэнергии.
Качество ветровой энергии – обычно порядка 30%, гидроэнергии – 60%,
волновой и приливной – 75%.
2. Тепловыми возобновляемыми источниками энергии являются также
биотопливо и тепловая энергия солнца. Максимальная доля тепла таких
источников, которая может быть превращена в механическую работу,
определяется вторым законом термодинамики. На практике превратить в
работу удается примерно половину тепла.
3. Источники энергии на основе фотонных процессов, использующие
фотосинтез и фотоэлектрические явления. Например, с помощью
фотоэлектрических преобразователей солнечное излучение определенной
частоты можно с высокой эффективностью преобразовать в механическую
работу. Добиться высокой эффективности преобразования энергии во всем
спектре солнечного излучения очень трудно, и на практике кпд
фотопреобразователей, равный 15%, считается хорошим.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]