ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев

НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140100 - «Теплоэнергетика»

Издательство Томского политехнического университета

2009

УДК 620.9 (075.8) ББК 31.27 Г 70

Городов Р.В.

Г 70 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:

учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.

ISBN 5-98298-429-9

В учебном пособии изложены основные направления развития возоб­новляемых источников энергии, как возможной альтернативы традиционной энергетики. Рассмотрены способы преобразования энергии ветра, Солнца, геотермальной энергии, а также энергии океана в электрическую и тепловую с учетом последних достижений техники и технологий.

Отдельное внимание уделено вопросам сравнения традиционных и не­традиционных источников энергии, динамике потребления энергоресурсов и развитию энергохозяйств, а также экологическим проблемам нетрадицион­ной энергетики.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140100 - «Теплоэнергетика».

УДК 620.9 (075.8) ББК 31.27

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, руководитель Центра охраны труда ТГАСУ

С.А. Карауш

Доктор технических наук, профессор, заместитель директора НП «Региональный центр управления энергосбережением»

В.В. Литвак

ISBN 5-98298-429-9 © Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С., 2009

© Томский политехнический университет, 2009 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2009

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АОТЭС - арктическая океаническая тепловая электрическая станция АЭС - атомная электрическая станция ВК - ветроколесо

ВНП - валовый национальный продукт

ВЭР - вторичные энергоресурсы

ВЭС - ветровая электрическая станция

ВЭУ - ветровая электроустановка

ГАЭС - гидроаккумулирующие станции

ГеоТЭС - геотермальная тепловая электрическая станция

ГРЭС - городская районная электрическая станция

ГТС - геотермальная тепловая станция

ГТУ - газотурбинная установка

ГЭС - гидроэлектростанция

ДГУ - детандер-генераторные установки

ДЭС - дизельная электрическая станция

КПД - коэффициент полезного действия

КУ - котлы утилизаторы

МГЭС - малые гидроэлектростанция

МНИЭ - Министерство нетрадиционных источников энергии

МПЦ - многократная принудительная циркуляция

МЭА - Международная энергетическая ассоциация

НВИЭ - нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

ОТЭС - океаническая тепловая электрическая станция

ОЦР - органический цикл Ранкина

ОЭСР - организации экономического сотрудничества и развития

ПВС - пароводяная смесь

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПЭС - приливная электрическая станция

РТ - рабочее тело

СЭС - солнечная электрическая станция ТЭК - топливно-энергетический комплекс ТЭО - технико-экономическое обоснование ТЭР - топливно-энергетические ресурсы ТЭС - тепловая электрическая станция ТЭЦ - тепловая электроцентраль

ФЭЦ - Федеральным центром малой и нетрадиционной энергетики

ЭДС - электродвижущая сила

ОТЕС - Осеап ТИегша! Energy Conversion

ВВЕДЕНИЕ

Энергия - не только одно из обсуждаемых сегодня понятий; поми­мо своего основного физического (а в более широком смысле - естест­веннонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличи­ваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Ограничены также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реак­торах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т. е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: ресурсосбереже­ние и использование нетрадиционных возобновляемых источников энер­гии.

Помимо этого, энергетика является одним из главных загрязните­лей воздуха. Электростанции, работающие на традиционных видах топ­лива, вносят до 30 % объема вредных выбросов атмосферы, загрязняют землю и воду продуктами сгорания и сточными водами. Выделяющиеся газы в значительной степени связаны с парниковым эффектом, катаст­рофические последствия которого мировое сообщество пытается пре­дотвратить сегодня с помощью механизмов Киотского протокола.

К новым формам первичной энергии в первую очередь относятся: солнечная и геотермальная энергия, приливная, атомная, энергия ветра и энергия волн. В отличие от ископаемых топлив эти формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами (если атомную энер­гию рассматривать вместе с термоядерной). Это означает, что их исполь­зование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Предлагаемый курс «Нетрадиционные и возобновляемые источни­ки энергии» предоставляет необходимую информацию по проблемам энергетики, не связанной с сжиганием топлива.

Хозяйственная деятельность человека сопряжена с расходованием громадного количества органического топлива, накопленного природой за миллионы лет эволюции. Значительную часть потребляемых в мире топливно-энергетических ресурсов использует энергетика - базовая от­расль современной экономики.

Сжигание органического топлива приводит к опасным экологиче­ским последствиям: загрязнению атмосферы диоксидом серы, оксидами азота, несгоревшими углеводородами, золой и сажей. Выбросы углеки­слоты или диоксида углерода СО₂ приводят к парниковому эффекту, по­теплению климата планеты и повышению уровня Мирового океана с за­топлением прибрежных участков суши. Проблема усугубляется выруб­кой леса - основного переработчика углекислого газа в атмосфере Зем­ли.

Альтернативой сжиганию органического топлива считается атом­ная энергетика. Во Франции более 70 % потребляемой электроэнергии производится на АЭС, в Бельгии - около 60 % (в России - 15 %). Ядер­ное топливо, применяемое в широко распространенных реакторах на те­пловых нейтронах, - это уран. Он тоже исчерпаем. Кроме этого, не до конца решена проблема хранения и переработки радиоактивного отра­ботавшего ядерного топлива.

Наука работает над освоением термоядерной энергии синтеза лег­ких элементов, что дало бы человечеству неограниченные энергоре­сурсы. Сырьем для этого синтеза является дейтерий - нуклид водорода с атомной массой 2. В природе на каждые 10 000 атомов обычного во­дорода приходится один атом дейтерия; энергия дейтерия, содержаще­гося в одном литре воды, эквивалентна 300 литрам бензина. Запасы дей­терия в океане громадны. Однако до настоящего времени реакция тер­моядерного синтеза эффективно реализована только в водородной бом­бе. Для осуществления этой реакции необходимы очень высокие темпе­ратуры - сотни миллионов градусов, что пока не позволяет применить управляемый термоядерный синтез в энергетике. Международным кон­сорциумом с участием российских ученых и инженеров разрабатывают­ся энергетические установки с управляемым термоядерным синтезом, однако трудно ожидать успешного завершения этих работ в ближайшие годы.

В традиционной энергетике заметную роль играют гидроэлек­тростанции. В России до 18 % электроэнергии производится на ГЭС (в Германии - около 1 %). Гидростанции работают на возобновляемом энергоносителе - убыль воды в водохранилище восполняется атмо­сферными осадками. В Советском Союзе построены крупные ГЭС на полноводных реках - Волге, Енисее, Ангаре. ГЭС особенно эффектив­ны на реках с большим расходом воды и при больших перепадах высот (напорах). В равнинных местностях, например в Поволжье, их строи­тельство приводит к затоплению водохранилищами больших площадей земли, которые таким образом выводятся из хозяйственного землеполь­зования (поэтому так мала доля ГЭС в энергетике густонаселенной За­падной Европы).

Строительство крупных ГЭС влечет ряд неблагоприятных эколо­гических последствий. Высокие плотины вызывают подъем уровня во­ды в водохранилище, что приводит к заболачиванию берегов. В местах с сухим климатом подъем грунтовых вод, выносящих на поверхность рас­творенные соли, способствует засолению почв. В стоячей воде водохра­нилища накапливаются взвешенные твердые частицы, происходит заи­ливание. При штормовых ветрах волнение поднимает ил в верхние слои, загрязнение воды губительно для рыбы. Неблагоприятно сказываются на речных живых организмах и попуски воды при пусках и остановах гидроагрегатов. Ледовый покров в водохранилищах вскрывается в сред­нем на две недели позже, чем это было в реке до строительства ГЭС, соответственно задерживаются сроки начала речной навигации. Нако­нец, накопление масс воды в водохранилище изменяет сложившееся за геологические эпохи равновесие в земной коре. Разрушение плотин при землетрясениях или по другим причинам чревато катастрофическими последствиями.

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 (НВИЭ). Разрабатываются меры экономической под­держки НВИЭ: налоговые, кредитные и тарифные льготы, правовая поддержка, государственные программы развития.

Основной недостаток НВИЭ - низкие плотности энергии. Так, для ветровых, солнечных, геотермальных установок характерны плотности энергии менее 1 кВт/м , 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 России практическое применение НВИЭ отстает от мирового уровня. Основным препятствием для их освоения являются малые удельные мощности установок, высокие капитальные затраты, низкий уровень государственной поддержки. Рост инвестиций в это направле­ние энергетики сдерживается пока отсутствием платежеспособного спроса. В ближайшем будущем доля НВИЭ в энергетическом балансе России, несомненно, будет увеличиваться.

1. ТРАДИЦИОННЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ