Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Н.П. Краснова, A.С. Горшенин,
Ю.И. Рахимова, И.В. Макаров
НЕТРАДИЦИОННЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Учебное пособие для СПО
Профобразование
Саратов
2022
УДК 620
ББК 31.15
Н57
Рецензент:
Щелоков А.И. — д-р техн. наук, проф.
Н57 Нетрадиционные источники энергии : учебное пособие для СПО /
Н.П. Краснова, A.С. Горшенин, Ю.И. Рахимова, И.В. Макаров ; Самарский
государственный технический университет. — Саратов : Профобразование, 2022. — 59 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-4488-1385-6
В учебном пособии рассмотрены основные теоретические положения
по направлению нетрадиционной и возобновляемой энергетики, в частности ветроэнергетики и биотоплива. Показаны предпосылки появления ветроэнергетики, типы ветряных электростанций и проблемы их применения,
хранение ветряной энергии, достоинства и недостатки данного вида энергии. Описана классификация биотоплива, производство и применение био-
топлива. Приведены контрольные вопросы и задачи для закрепления теоретических основ.
Издание предназначено для изучения дисциплины «Нетрадиционные
источники энергии» по специальности среднего профессионального образования 35.02.08 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4488-1385-6 © Коллектив авторов, 2020
© Самарский государственный
технический университет, 2020
© Оформление. ООО «Профобразование», 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ....................................................................................................................... 4
Раздел 1. Ветряные электростанции .......................................................................... 5
1.1. Предпосылки развития ветроэнергетики ....................................................... 5
1.2. Типы ветряных электростанций ..................................................................... 9
1.3. Проблемы применения ветряных электростанций ..................................... 12
1.4. Ветряные электростанции в России ............................................................. 13
1.5. Ветряные электростанции малой мощности ............................................... 13
1.6. Виды ветроприемных устройств .................................................................. 15
1.7. Схемы работы ветрогенератора .................................................................... 19
1.8. Хранение ветряной энергии .......................................................................... 21
1.9. Достоинства и недостатки ВЭС .................................................................... 22
1.10. Мощность ветроэнергетических установок .............................................. 23
Задачи и вопросы к разделу 1 .............................................................................. 28
Вывод к разделу 1 .................................................................................................. 29
Раздел 2. Энергия биомассы ..................................................................................... 30
2.1. Общие сведения .............................................................................................. 30
2.2. Классификация биотоплива .......................................................................... 32
2.3. Производство биомассы для энергетических целей.
Энергетические фермы .................................................................................. 35
2.4. Сжигание биотоплива для получения тепла ............................................... 38
2.5. Получение биогаза путем анаэробного сбраживания ................................ 48
2.6. Основные компоненты биогазовых систем ................................................. 53
2.7. Расчет биогазогенератора .............................................................................. 56
Задачи и вопросы к разделу 2 .............................................................................. 57
Вывод к разделу 2 .................................................................................................. 58
Заключение ................................................................................................................. 59
Список литературы.................................................................................................... 59
3
ВВЕДЕНИЕ
В связи с сокращением природных запасов традиционных энергоносителей (нефти и природного газа), ростом цен на них, возникновением экологических проблем мировая экономика все больше уделяет внимание поиску и освоению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Разрабатываются меры экономической их
поддержки: налоговые, кредитные и тарифные льготы, правовая поддержка, государственные программы развития.
Основной недостаток таких источников – низкие плотности энергии. Так, для ветровых, солнечных, геотермальных установок характерны плотности энергии менее 1 кВт/м2, тогда как в современных
котлах и ядерных реакторах достигаются в тысячу раз большие плотности теплового потока. Соответственно нетрадиционные энергоустановки имеют значительные габариты, металлоемкость, занимают
существенные площади по сравнению с действующими ТЭС, АЭС,
котельными.
В учебном пособии приводятся теоретические основы
ветроэнергетики и энергетики биомассы, контрольные вопросы и
задачи по соответствующим темам. Студент должен самостоятельно
в соответствии с предложенным ему заданием произвести необходимые расчеты для решения задач.
4
Раздел 1. ВЕТРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
1.1. ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся
на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами,
как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная
мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для
использования в транспорте) и другими.
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как
она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются
для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако сооружение ветряных
электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического
и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой доле ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии.
Для решения подобных проблем используется интеллектуальное
управление распределением электроэнергии [5].
Ветряные электростанции (ветряные генераторы, ветроэлектрические установки, ветрогенераторы, ветряки, ВЭУ) – это электростанции бытового или промышленного назначения, генерирующие
электрическую энергию при помощи энергии ветра, т.е. посредством
энергии перемещающихся воздушных масс (кинетической энергии).
Стационарные ветрогенераторы могут полностью обеспечивать элек-
5
трическим питанием жилой дом или небольшой производственный
объект, накапливать в АКБ необходимый ресурс электроэнергии
для применения в периоды отсутствия ветра, могут функционировать
в сочетании с дизель-генераторами или солнечными генераторами, а
также давать экономию при использовании центральной электросети.
Мобильные ветряные электростанции могут применяться в путешествиях для подзарядки автомобильных аккумуляторов или для непосредственного питания электроприборов [1].
В мире наибольшее распространение получили ветрогенераторы
с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Установка
мощных стационарных ветрогенераторов требует предварительных
исследований и проведения ряда электромонтажных, грунтовых и
строительных работ. Все ветряные электростанции можно разделить
на две основные категории: промышленные и бытовые ветрогенераторы. Промышленные ветрогенераторы отличаются очень большой
мощностью, которая для некоторых ветрогенераторов может достигать 5–6 МВт.
Ветряные электростанции производят электричество за счет
энергии перемещающихся воздушных масс – ветра. Скорость ветра
возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят
на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30–60 м. Принимаются во внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания и т.д.
При строительстве ветряных электростанций учитывается влияние
ветрогенераторов на окружающую среду. Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень
шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ
в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов – 300 м.
Современные ветряные электростанции прекращают работу
во время сезонного перелёта птиц.
Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих достаточные скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытываю-
6
щих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построены электростанции общей
мощностью 9000 МВт.
Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась
до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство вет-
ряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало
значительной частью экспорта Дании и Германии.
Производство ветряных электростанций обеспечило работой
в Европе 60 000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых
источников энергии.
Промышленные ветрогенераторы обычно объединяют в единые
сети. Бытовые ветрогенераторы, в отличие от промышленных ветроустановок, имеют мощность не более 10–15 кВт.
Ввиду большой стоимости ветрогенераторов среди населения
наибольшим спросом пользуются ветряные электростанции относительно небольшой мощности 2–5 кВт. При условии среднегодовой
скорости ветра от 3–4 м/с такой миниэлектростанции вполне хватит
для полного энергообеспечения загородного дома средних размеров,
кафе, станций техобслуживания и т.п.
В сравнении с электростанциями, работающими посредством использования бензинового (бензогенераторы) или дизельного топлива
(дизель-генераторы), применение грамотно подобранных ветряных
электростанций в долгосрочной перспективе обойдется намного дешевле, к тому же ветрогенераторы не загрязняют окружающую среду
вредными выбросами ввиду их полного отсутствия. Ветряные электростанции также отличаются и aвтономностью, что позволяет использовать их в удаленных местах, а также на яхтах (ветрогенераторы
для плавательных средств могут отличаться от наземных устройств
водонепроницаемостью, компактностью и меньшим весом) и т.п.
К основным же недостаткам ветрогенераторов можно отнести повышенный шум, создание помех радиосигналам и нестабильность получаемой энергии из-за изменения скорости ветра.
7
В комплект бытовой ветряной электростанции обычно входит
сам ветрогенератор, мачта, хвост, лопасти, крепления электростанции, тросы мачты, контроллер заряда и поворотный механизм ветряной электростанции. Ветряная электростанция может работать как
в комплексе с солнечной батареей, так и без нее, а также в режиме
без аккумулятора для питания нагрузки, не требующей стабилизации
напряжения.
Основой сбора данных ветрогенераторов является инвертор и
внешние аккумуляторные батареи. Для большинства потребителей загородного дома обычно достаточно инвертора серии НТ с синусоидальным выходным напряжением переменного тока максимальной
мощностью 1500 ВА (модель НТ-1500) напряжением постоянного тока
24 В. Для автономной работы инвертора обычно применяют две автомобильные аккумуляторные батареи 12 В, соединенные последовательно. В зависимости от емкости применяемых батарей запас электроэнергии при автономной работе составит: для батарей 50 А·ч (аккумулятор
большинства малолитражек) – 1 кВт·ч, для батарей 100 А·ч – 2 кВт·ч.
При наличии централизованного электроснабжения системы инвертораккумулятор достаточно для резервного электроснабжения дома при
частых отключениях сетевого электропитания.
При наличии напряжения в сети инвертор заряжает аккумуляторы и передает в цепь потребителей электроэнергию сети через встроенный стабилизатор напряжения. Переключение в режим инвертора
при отключении сети происходит за время 4 мс, которое не сказывается на работе никаких бытовых потребителей.
Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней
скоростью ветра – от 4,5 м/с и выше.
Предварительно проводят исследование потенциала местности.
Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 м, и в течение одного–двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра.
Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии
ветра. Такие карты (и специальное программное обеспечение) позволяют потенциальным инвесторам оценить срок окупаемости проекта.
8
Обычные метеорологические сведения не подходят для строительства ветряных электростанций, так как эти сведения о скоростях
ветра собирались на уровне земли (до 10 м) и в черте городов или
в аэропортах.
Во многих странах карты ветров для ветроэнергетики создаются
государственными структурами или с государственной помощью.
Например, в Канаде Министерство развития и Министерство Природных ресурсов создали Атлас ветров Канады и WEST (Wind Energy
Simulation Toolkit) – компьютерную модель, позволяющую планировать установку ветрогенераторов в любой местности Канады. Еще в
2005 г. Программа Развития ООН создала карту ветров для 19 развивающихся стран.
1.2. ТИПЫ ВЕТРЯНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Наземная
Самый распространённый в настоящее время тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях.
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7–10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на
строительство ветряной электростанции может занимать год и более.
Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 м, так как
гондолы устанавливаются на высоте около 50 м.
Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.
Крупнейшей на данный момент ветряной электростанцией является электростанция Альта, расположенная в штате Калифорния,
США. Полная мощность – 1550 МВт.
Прибрежная
Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной перио-
9
дичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской, бриз движется
с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой, – с остывшего побережья к водоёму [5].
Шельфовая
Шельфовые ветряные электростанции строят в море: 10–60 км
от берега. Шельфовые ветряные электростанции обладают рядом
преимуществ: они имеют большую эффективность из-за регулярных
морских ветров, под их строительство не отчуждается территория.
Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 м. Электроэнергия передаётся
на землю по подводным кабелям.
Шельфовые электростанции более дороги в строительстве, чем
их наземные аналоги. Для генераторов требуются более высокие
башни и более массивные фундаменты. Солёная морская вода может
приводить к коррозии металлических конструкций.
В конце 2008 г. во всём мире суммарные мощности шельфовых
электростанций составили 1471 МВт. За 2008 г. во всём мире было построено 357 МВт шельфовых мощностей. Крупнейшей шельфовой
станцией в 2009 г. являлась электростанция Мидделырюнден (Дания) с
установленной мощностью 40 МВт. В 2013 г. крупнейшей стала London
Array (Великобритания) с установленной мощностью 630 МВт [3].
Для строительства и обслуживания подобных электростанций
используются самоподъёмные суда.
Плавающая
Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией Н Technologies BV в декабре 2007 г. Ветрогенератор мощностью
80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях
от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 м.
Норвежская компания Statoil Hydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. Statoil Hydro
построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в сентяб-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]