Нетрадиционные возобнов. источники энергии

С. В. ХАВРОНИЧЕВ, А. Г. СОШИНОВ, В. С. ГАЛУЩАК

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

0

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С. В. Хавроничев, А. Г. Сошинов, В. С. Галущак

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Учебное пособие

Допущено УМО по образованию в области электро- и теплоэнергетики в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника».

Волгоград

2015

1

УДК 620.9(075.8)

Х 12

Рецензенты: коллектив кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» СГТУ (зав. кафедрой профессор, к. т. н. И. А. Менщиков); профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» СГТУ, д. т. н., профессор Г. Г. Угаров

Хавроничев, С. В. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИС-

ТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ: учеб. пособие / С. В. Хавроничев, А. Г. Сошинов, В. С. Галущак. – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2015. – 92 с.

ISBN 978-5-9948-1651-6

Рассматриваются нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Изложены классификация, устройство и принцип действия солнечных, ветровых, геотермальных, приливных и волновых электростанций, а также системы аккумулирования электрической энергии.

Предназначено для студентов высшего профессионального образования, обучающихся по направлению 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль подготовки «Электроснабжение»), при изучении дисциплины «Общая энергетика».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, в жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества. Начало создания правового (законодательного) обеспечения использования ВИЭ в России положено Федеральным законом № 250-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с осуществлением мер по реформированию Единой энергетической системы России» от 18 октября 2007 г. Этим законом внесены поправки в Федеральный закон от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» и дано следующее определение: ВИЭ – «энергия солнца, энергия ветра, энергия вод (в том числе энергия сточных вод), за исключением случаев использования такой энергии на гидроаккумулирующих электроэнергетических станциях, энергия приливов, энергия волн водных объектов, в том числе водоѐмов, рек, морей, океанов, геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей, низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей, биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива, биогаз, газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов, газ, образующийся на угольных разработках» [1].

Общий подход конкретизируется следующими технологиями использования ВИЭ:

•солнечная энергия – прямое преобразование в электрическую энергию (фотоэлектричество), опосредованное в электрическую (термодинамический цикл) и в тепловую энергию (солнечные коллекторы);

•ветровая энергия – производство электрической [ветровая энергетическая установка (ВЭУ)] и механической [водоподъѐмная энергетическая установка (ВЭУ)] энергии;

•энергия рек и водоѐмов – различные гидроэлектростанции

(ГЭС);

3

•геотермальная энергия – геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС), тепловые насосы, прямое использование горячей воды;

•приливная энергия – приливные электростанции (ПЭС);

•низкопотенциальное тепло – производство тепловой энергии (тепловые насосы и теплообменники);

•биомасса – прямое сжигание (электростанции, котельные), получение жидкого и газообразного топлива (биогазовые и газогенераторные установки, технологии пиролиза и «быстрого» пиролиза), производство биоэтанола и биодизеля, а также твѐрдого топлива (гранулы – пеллеты).

Проблемы использования ВИЭ тесно связаны с обеспеченностью энергоресурсами, являющейся главным показателем энергетической безопасности страны (региона) и характеризуемой коэффициентом самообеспеченности Ксоб:

где Эпр и Эпотр – производимая и суммарная потребляемая первичные энергии.

Если Ксоб < 1, то страна зависит от импорта энергоресурсов. Россия по этой шкале оценивается значением 1,6; Великобритания

– 1,2; Канада – 1,5; США – 0,7; Дания – 0,5; Германия – 0,4; Япо-

ния – 0,2 [2].

Прослеживается общая тенденция: для ВИЭ – увеличение экономического потенциала, для невозобновляемых источников – уменьшение.

4

СПИСОК АББРЕВИАТУР

АПВ – аккумулятор питательной воды; АСВ – аккумулятор сетевой воды; АЭС – атомная электростанция;

АФП – аккумулятор фазового перехода; ВА – ветроагрегат;

ВАЭС – воздушно-аккумулирующая электростанция; ВД – ветродвигатель; ВДЭС – ветродизельэлектрическая станция;

ВИЭ – возобновляемые источники энергии; ВЭС – ветроэлектрическая станция; ВЭУ – ветроэлектрическая установка;

ВЭУ – ветровая энергетическая установка; ВЭУ – водоподъемная энергетическая установка;

ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция; ГПТ – гидропаровая турбина; ГТУ – газотурбинная установка;

ГеоТЭС – геотермальная тепловая электростанция; ГЭС – гидроэлектростанция; ДВС – двигатель внутреннего сгорания;

ДЭС – дизельэлектрическая станция; ДЭС – двойной электрический слой: ЕН – ѐмкостные накопители;

КПД – коэффициент полезного действия; НЭ – накопитель энергии; ПА – паровой аккумулятор;

ПВА – пароводяной аккумулятор; ПЭС – приливная электростанция;

ОИВТ – Объединенный институт высоких температур; СГЭЭ – система генерирования электроэнергии; СПИН – сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии; СПМ – система передачи мощности; США – Соединенные Штаты Америки; СЭС – солнечная электростанция;

ТЭС – тепловая электрическая станция, теплоэлектростанция; ЭА – электрохимический аккумулятор;

5

ЭНИН – Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского; ЭХК – электрохимический конденсатор; ФТИ – Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН; ФЭП – фотоэлектрический преобразователь; ЭЭ – электрическая энергия;

6

1. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

1.1.Классификация солнечных электростанций

Солнечная электростанция (СЭС) – электростанция, предна-

значенная для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию [3].

Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

•Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

•Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

− паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

− двигатель Стирлинга и т. д.

Виды СЭС

1.Фотоэлектрические – солнечные электростанции, в которых используется способ прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

2.Термодинамические – солнечные электростанции, в которых энергия солнечного излучения используется как источник тепла в термодинамическом цикле преобразования тепловой энергии

вмеханическую, а затем в электрическую.

Главным элементом фотоэлектрических станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Фотоэлектрические преобразователи отличаются надежностью, стабильностью и имеют срок службы 20–25 лет. Они могут преобразовывать как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Небольшая масса, простота обслуживания, модульный тип конструкции позволяют создавать установки любой мощности. К недостаткам солнечных батарей можно отнести высокую стоимость и низкий коэффициент полезного действия (КПД).

В устройстве термодинамических солнечных электростан-

ций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97 % попа-

7

дающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200 °С и более. С помощью них воду превращают в пар в паровых котлах специальной конструкции, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20 %.

Все СЭС подразделяют на несколько типов:

•СЭС башенного типа;

•СЭС тарельчатого типа;

•СЭС, использующие солнечные батареи;

•СЭС, использующие параболоцилиндрические концентра-

торы;

•аэростатные солнечные электростанции;

•комбинированные СЭС.

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразо-

ватели (ФЭП), поскольку позволяют осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Фотовольтаический эффект (преобразование энергии света в электроэнергию) был открыт в 1839 г. молодым французским физиком Эдмоном Беккерелем. Однажды, 19-летний Эдмон, проводя опыты с маленькой электролитической батареей с двумя электродами, обнаружил, что на свету некоторые материалы производят электрический ток. Отчего это происходит? Дело в том, что солнечный свет несет определенную энергию. Попадая на воспринимающий полупроводниковый слой, свет передает свою энергию электрону, который срывается со своей орбиты в атоме. А поток электронов и есть электрический ток. Но до создания первой солнечной батареи прошло еще более сорока лет: в 1883 г. Чарльз Фриттс покрыл кремниевый полупроводник очень тонким слоем золота и получил солнечную батарею, КПД которой составил не более 1 %.

Именно 1883 г. принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн.

8

В 1921 г. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX в. получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Еще в 1905 г. он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е гг. прошлого века. Произошло это в Физико-техническом институте (ФТИ), руководил которым знаменитый академик А. Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов едва достигал 1 %, то есть в электричество обращался лишь 1 % падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 г. американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6 %) КПД. А с 1958 г. кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.

Впервые идея создания солнечной электростанции промы-

шленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким еще в 1930-х гг.

Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приѐмником на башне (СЭС башенного типа).

В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов – плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приѐмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов.

Однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 1980-х гг. был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. За 10 лет работы она выработала всего 2 млн. кВт час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х гг. ее закрыли (приложение А, рис. А 1).

9