Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие
.pdf
Важной особенностью возобновляемых энергоресурсов является то, что
они в естественном состоянии принимают участие в тепловом балансе планеты,
поэтому их использование не приведет к изменению этого баланса, что
позволит поднять уровень потребления энергии. Отсюда первое преимущество
таких источников энергии — они не наносят вреда природе, т.е. экологически
безопасны.
Возобновляемые источники энергии постоянно пополняются до тех пор,
пока существует Солнце. Их второе преимущество – возобновляемость.
Также к преимуществам возобновляемых источников энергии следует
отнести повсеместную распространенность большинства видов ВИЭ.
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.
Но у возобновляемых ресурсов есть и свои недостатки, такие как малая
удельная мощность и изменчивость во времени большинства ВИЭ.
Первый недостаток заставляет создавать большие площади
энергоустановок, "перехватывающих" поток используемой энергии (приемные
поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса и т.п.), то есть ведет к
увеличению массогабаритных показателей энергоустановок и увеличению
удельных капиталовложений по сравнению с традиционными
энергоустановками. Однако стоит отметить, что повышенные
капиталовложения впоследствии окупятся за счет низких эксплуатационных
затрат.
Изменчивость процесса поступления энергоресурса вызывает
необходимость в создании аккумуляторов энергии или резервных источников,
11
что приводит к тому, что стоимость производимой энергии оказывается высока
даже при отсутствии топливной составляющей в себестоимости единицы
энергии.
Что же касается "бесплатности" большинства видов ВИЭ, то этот фактор
нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего
оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том,
что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые
страны, хотя более в ней нуждаются развивающиеся страны, не имеющие
возможности приобретения необходимого оборудования. Богатые же страны
энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной
энергетике по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации
источников энергии.
Поэтому повышение энергетической эффективности установок,
использующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается
различными путями, предусматривающими как улучшение техникоэкономических характеристик энергетического оборудования, так и
оптимизацию его энергетического баланса и режимов с учетом изменяющейся
нагрузки и энергии возобновляемого источника.
Возобновляемые и истощаемые источники энергии очень сильно
различаются по характерной для них начальной плотности потоков энергии.
Для возобновляемых источников энергии эта величина – порядка 1 кВт/м2
(например, плотность потока энергии солнечного излучения, ветра при
скорости около 10 м/с), для невозобновляемых источников она на несколько
порядков выше. Например, тепловая нагрузка в трубах паровых котлов –
порядка 100 кВт/м2, а в теплообменниках ядерных реакторов – несколько
МВт/м2. Потребители энергии, за редким исключением, используют у себя
гораздо меньшие плотности потоков энергии.
Из-за большого различия плотностей потоков энергии в энергоустановках
на невозобновляемых и возобновляемых источниках первые эффективны при
большой единичной мощности установки, но при этом распределение энергии
12
среди потребителей требует больших затрат, вторые же эффективнее при
небольшой единичной мощности, но большие затраты требуются уже для
повышения мощности за счет объединения таких установок в единую
энергосистему.
С точки зрения процесса энергопреобразования первичного
энергоносителя в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую
энергетику можно разделить на автономную и связанную с
электроэнергетической системой относительно большой мощности. В первом
случае энергобаланс децентрализованной системы электроснабжения
определяется соотношением графика электрических нагрузок системы и
изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса.
Указанные обстоятельства вызывают необходимость согласования
энергоустановок с потребителем. В процессе согласования должны быть
решены следующие задачи:
1) Обеспечение максимальной эффективности использования
возобновляемого энергоресурса.
2) Согласование вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, что
требует включение в систему накопителей энергии.
3) Управление режимами работы преобразователей энергии.
Для решения указанных задач используются различные схемные решения
энергоустановок.
1) Система со сбросом излишков энергии. Данный способ согласования
мощностей возобновляемых энергоисточников и потребителей отличается
максимальной простотой и заключается в использовании части потенциала
первичного энергоносителя, необходимой для энергообеспечения текущего
значения нагрузки потребителя. Оставшаяся энергия возобновляемого
источника не используется.
2) Системы с накопителями энергии. Накопители могут аккумулировать
энергию возобновляемых источников как в ее исходном, не преобразованном
виде, так и в преобразованном, после энергоустановки. В первом случае
13
управление запасами возобновляемой энергии такое же, как и запасами
невозобновляемой энергии. Основной недостаток систем регулирования с
такими накопителями – их относительно высокая стоимость, сложность
использования в небольших энергоустановках и при реализации
дистанционного управления.
3) Системы с регулированием нагрузки. Такие системы поддерживают
соответствие между спросом и предложением энергии за счет включения и
выключения необходимого числа потребителей.
Ни один источник возобновляемой энергии не является универсальным,
подходящим для использования в любой ситуации. Это всегда определяется
конкретными природными условиями и потребностями общества, то есть
конкретной ситуацией. Поэтому для эффективного планирования энергетики на
возобновляемых ресурсах необходимы, во-первых, систематические
исследования окружающей среды, во-вторых, изучение потребностей
конкретного региона в энергии для промышленного, сельскохозяйственного
производства и для бытовых нужд. В частности, необходимо знать структуру
потребителей энергии, чтобы выбирать наиболее экономичный источник
энергии. Отсюда вытекает такой вывод: невозможно предложить простой и
универсальный метод планирования энергетики на возобновляемых источниках
ни в международном масштабе, ни в рамках одной страны.
Производству энергии всегда должно предшествовать всестороннее
изучение потребности в ней. Так как производство энергии всегда недешево и
сопряжено с нежелательным воздействием на окружающую среду, очень важно
расходовать ее эффективно и экономично.
Физическая природа используемых источников энергии во многом
предопределяет и направление развития технологии и общества в целом.
Использование возобновляемых источников энергии ставит нас и нашу
деятельность в гораздо большую зависимость от окружающей среды, чем
использование обычного и ядерного топлива.
14
Ориентация на опережающее развитие энергетики на возобновляемых
источниках требует значительных расходов на развитие соответствующих этой
энергетике предприятий и технологий, а также определенных изменений в
области образования, планирования, финансирования, производства. В отличие
от ископаемых топлив ресурсы возобновляемых источников энергии болееменее равномерно распределены по территории планеты, не находятся в
монопольном владении ограниченного числа стран, поэтому их использование
способствует укреплению энергетической безопасности страны.
Конечной целью должно быть воспитание общества в духе большего
понимания своей связи с окружающей средой. Так как значительная часть
потребляемой обществом энергии расходуется в жилых и служебных
помещениях, широкое использование возобновляемой энергии, в частности
солнечной, приведет к существенным изменениям в архитектурном облике
зданий. Например, в районах с холодным и умеренным климатом рационально
создавать застекленные оранжереи вдоль стен зданий, обращенных к солнцу,
так как стекло хорошо пропускает тепловое излучение солнца. Естественно, что
это повлияет как на облик зданий, так и на стиль жизни людей. Использование
возобновляемых энергоресурсов, как показала практика, ускоряет
экономическое развитие сельских районов, так как эта энергетика в силу своей
специфики соответствует сельскому укладу жизни, а не городскому.
Стоит подчеркнуть, что доля объемов использования возобновляемых
энергоресурсов, приходящаяся на развивающиеся страны, составляет менее
40%, в то время как на развитые страны приходится более 60%, что опровергает
мнение о том, что использование возобновляемых энергоресурсов – удел
развивающихся стран со слабо развитой энергетической инфраструктурой.
В заключение приведем таблицу 1, которая схематически показывает,
какие достоинства и недостатки у наших самых обычных и распространенных
энергоисточников, и какие последствия для окружающей среды влечет за собой
их использование.
15
Характеристика использования энергоресурсов
Таблица 1
16
1.3. Перспектива использования возобновляемых источников энергии
Вид энергии
Теоретические ресурсы в
мире, млн т.у.т.
Теоретические ресурсы в
России, млн т.у.т.
1. Энергия Солнца
1,3 ·108
2,3 ·106
2. Энергия ветра
2,0·105
2,6·104
3. Гидроэнергия
5,0·103
3,6·102
4. Энергия биомассы
9,9·104
1,0·104
в России
Таблица 2
Ресурсы ВИЭ в России и в мире
По прогнозу Мирового энергетического конгресса в 2020 году на долю
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) придется 5,8%
общего энергопотребления. При этом в развитых странах (США,
Великобритании и др.) планируется довести долю НВИЭ до 20%. В странах
Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение
70% жилищного фонда. Сегодня в мире действует 233 геотермальные
электростанции (ГеоТЭС) суммарной мощностью 5136 МВт, строятся 117
ГеоТЭС мощностью 2017 МВт. Ведущее место в мире по ГеоТЭС занимают
США (более 40% действующих мощностей в мире). Там работает 8 крупных
солнечных электростанций модульного типа общей мощностью около 450 МВт,
энергия поступает в общую энергосистему страны. Мощность выпускаемых во
всем мире солнечных фотоэлектрических преобразователей уже достигла
300МВт, из них 40% приходится на долю США. В настоящее время в мире
работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь
солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии – 8 млн.
м2. В США и в Японии работают боле 5 млн. тепловых насосов. За последние
15 лет в мире построено свыше 100 тыс. ветроустановок с суммарной
мощностью 70000 МВт (10% энергобаланса США). В большинстве стран
приняты законы, создающие льготные условия, как для производителей, так и
для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим
фактором успешного внедрения.
17
В России в 2000 году на долю НВИЭ приходилось приблизительно 0,05%
общего энергобаланса, в 2005 году – 0,14%, на 2015 год планируется около
0,5% энергобаланса страны (т.е. приблизительно в 30 раз меньше, чем в США, а
если учесть соотношение энергобалансов, то у нас "запланировано" отставание
примерно в 150 раз). Всего в России действуют: 1 ГеоТЭС (Паужекская, 11
МВт), и то технологически крайне неудачная, 1 приливная электростанция
(Кислогубская, 400 кВт), 1500 ветроустановок (от 0,1 до 16 кВт), 50 микроГЭС
(от 1,5 до 10 кВт), 300 малых ГЭС (2 млрд. кВт·ч), солнечные коллекторы
площадью 100 000 м2, 3000 тепловых насосов (от 10 кВт до 8 МВт).
В итоге по всем видам НВИЭ Россия находится на одном из последних
мест в мире. В нашей стране нет правовой базы для внедрения НВИЭ, нет
никаких стимулов для развития этого направления. В стране отсутствует
отрасль, объединяющая все разрозненные разработки в единый стратегический
замысел. В концепции Минтопэнерго НВИЭ отводится третьестепенная,
вспомогательная роль. В концепциях РАН РФ, ведущих институтов
практически отсутствует стратегия полномасштабного перехода к
альтернативной энергетике и по-прежнему делается ставка на малую,
автономную энергетику, причем в весьма отдаленном будущем. Все эти
факторы безусловно скажутся на экономическом отставании страны, а также на
экологической обстановке как в стране, так и в мире в целом.
В целом можно констатировать тот факт, что в России тормозом развития
нетрадиционной энергетики, как, впрочем, и многих других направлений,
является хронически неудовлетворительное состояние экономики. Особенную
тревогу вызывает сокращение объемов научно-исследовательских работ в
сфере НВИЭ из-за резкого снижения их финансирования. Недостаточный
объем научно-исследовательских работ не способен обеспечить не только
развитие, но и поддержание имеющегося научно-технического уровня в данной
сфере.
Тем не менее, и России на сегодня есть все предпосылки развития НВИЭ.
С выходом из кризисного экономического состояния станет возможным
18
развитие многочисленных областей промышленной, научно-технической и
иной деятельности, в том числе и альтернативной энергетики. В мире рост
применения этих источников энергии необратим. Россия в этом отношении
исключением не является.
Актуальность энергосбережения для условий России, а также в мировом
масштабе обусловлена тем, что добыча нефти и природного газа близка к
потенциальному максимуму. По данным международных экспертов
(Американский институт нефти), при сохранении нынешнего уровня добычи
нефти (80 · 106 баррелей в сутки, 30·109 баррелей в год) половина доказанных
резервов будет добыта уже к середине 2015 г. Вновь открываемые запасы
нефти не восполняют ее добычу, начиная с 1990 г. Определенная надежда
возлагается на применение горизонтального бурения скважин, впервые
использованное в СССР в 50-х годах прошлого века и позволяющее
разрабатывать старые месторождения. Аналогичное состояние и в газовой
области, где добывающие компании пересматривают свои оценки резервов
природного газа в направлении их снижения.
Несмотря на имеющие трудности с созданием условий для
крупномасштабного развития и внедрения НВИЭ, их роль в энергетической
стратегии России является важной не столько по количественным параметрам,
сколько по их экологическому эффекту и их значению для обеспечения
энергетической безопасности всех энергодефицитных районов.
Активное сотрудничество государства (и органов исполнительной власти
субъектов РФ) с бизнесом в лице хозяйствующих структур, занятых
производством оборудования и использования НВИЭ, а также с
потенциальными инвесторами – залог успеха в этом важном направлении новой
энергетической политики России.
19
Глава 2. Солнечная энергия
2.1. Общие сведения о солнечной энергии
Солнечная энергия – это энергия излучения, образующаяся в недрах
Солнца в результате химических реакций. Поскольку ее запасы практически
неистощимы (по прогнозам астрономов Солнце будет гореть еще несколько
миллионов лет), эту энергию относят к возобновляемым энергоресурсам.
Солнечное излучение – это энергетический поток от доступного источника
гораздо более высокой температуры (температура поверхности Солнца
составляет порядка 6000 К), чем у традиционных источников.
На гелиоэнергетические ресурсы территории оказывают непосредственное
влияние географические и климатические характеристики: продолжительность
светового дня; средняя месячная и годовая продолжительность светового дня;
средние месячные и годовые характеристики прозрачности атмосферы и ряд
других.
Оценка потенциала солнечной энергетики основывается на многолетних
данных актинометрических наблюдений на возможно большем количестве
станций, распределенных достаточно равномерно по исследуемой территории.
Потенциальные возможности прихода солнечной радиации определяются
географической широтой места и временем года.
На каждой широте время года определяет продолжительность дневной
части суток (светового дня) и, следовательно, продолжительность притока
радиации. С увеличением широты продолжительность светового дня зимой
уменьшается, а летом увеличивается.
Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не
только от продолжительности дня, но и от высоты Солнца, которая меняется в
зависимости от широты места, времени года и суток.
Климатические характеристики района, косвенно характеризуемые
продолжительностью светового дня, также вносят существенные коррективы в
возможность эффективного использования энергии Солнца.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]