Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Основы использования возобновляемых
источников энергии и энергосбережение
Конспект лекций
для студентов специальности
5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства а

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: Умбетов Е.С., Живаева О.П.. Основы использования возобновляемых источников энергии и энергосбережение. Конспект лекций для студентов специальности 5В081200-Энергобеспечение сельского хозяйства. – Алматы: АУЭС, 2013.- 38 с.

В данном курсе лекций освещены вопросы использования возобновляемых источников энергии.

Библиогр. - 12 назв.. ил. 8.

Рецензент: Курпенов Б.К.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 г.

Содержание

Лекция 1.Возобновляемые источники энергии	4
Лекция 2. Использование солнца как источники тепловой энергии	8
Лекция 3. Использование энергии ветра	12
Лекция 4. Биоэнергетика	17
Лекция 5 Геотермальная энергетика	20
Лекция 6. Использование энергии волн океанов и морей	24
Лекция 7. Энергия движущейся воды. Гидроэнергетика	27
Лекция 8. Энергосбережение	31

Лекция 1. Возобновляемые источники энергии

Цель лекции: показать энергетические возможности солнечной энергии, достоинства и особенности использования ветра как энергоносителя, определить перспективность вертикально-осевых турбин и совместного использования энергии Солнца и ветра.

Содержание лекции: мировая концепция использования неисчерпаемых энергетических ресурсов, свойства ветра и солнечной энергии, синэнергетический эффект.

В понятие возобновляемые источники энергии (ВИЭ) включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, энергия биомассы, гидроэнергия, и другие «новые» виды возобновляемой энергии.

Принято условно разделять ВИЭ на две группы:

- традиционные: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.

- нетрадиционные: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие «новые» виды возобновляемой энергии.

Достоинства неисчерпаемой и возобновляемой энергетики:

- повсеместное наличие нескольких видов ресурсов;

- прогрессирующая технология их использования;

- содействие энергетической безопасности и независимости государства;

- вклад в выполнение международных обязательств по сокращению выбросов ПГ;

- наличие перспектив для привлечения финансовой поддержки со стороны частного капитала.

Очевидно, что вся полученная и произведенная энергия рано или поздно выделится в виде тепла на поверхности Земли, что в принципе может повлиять на климат. Но пока еще энергия, производимая человеком, меньше чем 10 в степени - 4 от Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли и постоянно переносимой энергии ветра. Таким образом, антропогенное влияние произведенной энергии, добавляющее лишь 0,01% к естественной энергии ветра и Солнца, слишком мало, чтобы оказать прямое влияние на климат. Тем не менее, по экологическим причинам будет происходить сокращение углеводородной энергетики и увеличение производства энергии из неисчерпаемых ресурсов. По оценкам Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), потребление неисчерпаемых первичных ресурсов в мире к 2020 году вырастет на 56 процентов по сравнению с 2000 годом, причем быстрее будет расти потребление таких ресурсов, как ветровая, солнечная, геотермальная, гидроэнергия малых водотоков.

Солнечная энергия. Излучение Солнца для производства энергии приемлемо на большей части земного шара с некоторыми особенностями на экстремальных широтах Арктики, Аляски, Норвегии, Финляндии, Антарктиды. Средняя интенсивность энергии Солнца по отношению к поверхности Земли составляет 160 Вт/м². Она в 4 тысячи раз превышает потребности человечества в энергии на уровне 2020 года, используется для производства электроэнергии и тепла. Установки небольшой мощности дают сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся стран к современной цивилизации. Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде стран приняты национальные программы по широкому их внедрению - (100 тысяч «солнечных крыш» в Германии и в Японии, 1 млн. «солнечных крыш» в США). При хорошем освещении стоимость выработанной преобразователями электроэнергии не превышает 15–20 центов за киловатт- час.

При определении практической целесообразности использования солнечной энергии исходят из того, что плотность ее в южных широтах достигает 1 кВт/м², в других районах средняя плотность светового потока составляет 200-250 Вт/м². Это же находит отражение в карте солнечной активности на территории Республики Казахстан.

Она используется при расчете количества солнечных преобразователей, необходимых для покрытия нагрузки автономного объекта. Однако карта дает значение солнечной активности в безоблачные дни, реально же она может быть значительно ниже по климатическим причинам: облачность, осадки, наличие снега и пленки льда или пыли. Поэтому мощность солнечных батарей, определенную по данным карты, приходится произвольно увеличивать на несколько десятков процентов. В соответствии с географическим расположением Казахстана ресурсы его солнечной энергии оцениваются следующими показателями. Продолжительность солнечного сияния, обеспечивающего поступление лучистой энергии на горизонтальную поверхность в пределах 1280 – 2300 кВт×ч/м², составляет от 2000 до 3000 часов в год из 8760 (8736) часов. Суммарный годовой потенциал солнечной энергии Казахстана оценивается в 340 млрд. тонн условного топлива. Идеальна ли солнечная энергетика с технической и экономической точек зрения?

К сожалению, не совсем. Противоречивым является вопрос безопасности солнечных технологий для окружающей среды. Конечно, это не атомная или угольная энергетика и не использование нефти и газа, однако на данном этапе развития технологий при изготовлении солнечных батарей используются вещества, которые тем или иным образом могут навредить природе. Уже готовые фотоэлементы содержат ядовитые вещества такие, как свинец, кадмий, галлий, мышьяк. После исчерпания срока службы преобразователей или при выходе их из строя возникает проблема последующей переработки модулей, а решение вопроса их утилизации до сих пор не найдено. Особенностью получения электрической энергии от Солнца является периодичность. Солнечные системы не способны работать ночью, а вечером и в утренних сумерках эффективность станций падает в несколько раз. Серьезное влияние оказывают и погодные факторы. «Подводным камнем» функционирования современных «солнечных ферм» является проблема технической поддержки и обслуживания. Интенсивный нагрев фотоэлементов существенно снижает эффективность системы в целом, поэтому здесь нужно предусматривать охлаждение модулей, солнечные батареи необходимо периодически чистить от пыли, грязи и снега, ориентировать на Солнце. В установках площадью несколько квадратных километров с этим возникают значительные сложности. У идеальной, на первый взгляд, технологии добычи энергии сегодня имеется целый ряд недостатков, однако можно быть уверенными в том, что это всего лишь индикатор совершенствования солнечной энергетики. Каждый день технологического прогресса сможет искоренять один недостаток за другим, поэтому это вопрос времени. Солнечная установка мощностью 1 кВт окупается только на 14-15-м году работы, а это, по сравнению с тепловыми или ветровыми станциями электростанциями, довольно долго. К проблемам солнечной энергетики относится также необходимость уточнение карты Солнечной активности конкретных регионов в разрезе сезонов, месяцев, суток.

Энергия ветра. Энергия ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, а возможность ее использования зависит от конструкции ветродвигателя, его способности брать энергию от воздушных течений при непрерывном изменении их направления, скорости и переносимой энергии. Большое влияние на характеристики ветра в приземном слое оказывает рельеф местности – горы, долины, пустыни, океаны и моря, растительность и строения.

Главная проблема ветроэнергетики - недостаточная изученность ветра как энергоносителя, повторяемости его скорости, смены направления и переносимой энергии, дислокации энергоресурсов по территории.

Тем не менее, общая мощность ветровых турбин, работающих в составе энергосистем в различных частях мира, составляет около 180000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупным электростанциям. Наиболее распространенными для системного использования являются ветровые агрегаты мощностью 1 МВт и более. Ветрогенераторы автономных систем имеют мощность от десятков ватт до 10-15 кВт.

Ветровая энергетика характеризуется следующими технико-экономическими показателями:

- при скорости ветра 7,5-8 м/с стоимость электроэнергии ВЭС сопоставима со стоимостью угольной электроэнергии;

- при скорости ветра 8,5-9,5 м/с стоимость электроэнергии ВЭС сопоставима со стоимостью газовой электроэнергии.

В областях, где средняя скорость ветра составляет, по крайней мере, двадцать километров в час (5,5 м/с), получение электроэнергии с помощью ветровых турбин может конкурировать с другими способами производства, например, угольным или ядерным.

В перспективе стоимость электроэнергии ВЭС прогнозируется ниже стоимости традиционной электроэнергии, включающей гидроэлектростанции.

Энергосистема, имеющая нерегулируемые источники энергии, - ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), должна компенсировать изменения мощности этих станций другими источниками (ГЭС, ТЭС, АЭС). Считается, что во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, 20-25% (по мощности), хотя уже есть примеры энергосистем, содержащих более 70% ветроэлектростанций.

Проблемными вопросами пропеллерных ветроэлектростанций являются визуальное засорение больших территорий, раздражение животных и снижение их продуктивности, аэродинамический шум, большой уровень потребления энергии на собственные нужды – поворот лопастей и всего агрегата на ветер, электромагнитные помехи, большая площадь отчуждаемой территории под установку ВЭС, низкий коэффициент использования установленной мощности в условиях резко переменных материковых ветров.

Решение проблемы поиска мест, где ветровые генераторы могут успешно работать в какой – то мере решается с помощью ветрового атласа, где на основе стандартных методик нанесены зоны с разной среднегодовой ветровой активностью. Однако реальный ветропотенциал конкретного места должен уточняться путем его измерения в течение, по крайней мере, года.

Казахстан относится к III и IV районам по скоростным напорам ветра, имеет более десяти районов со средней годовой скоростью ветра 8–10 м/с, являющихся «месторождениями» гигантской энергии. Технически возможный к использованию ветроэнергетический потенциал ветра Казахстана оценивается в 3 млрд. кВт×ч в год.

Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемых источников энергии, в частности, гидроэнергетики и ветровой энергетики. В настоящее время, возобновляемые источники энергии представляют лишь около 1 процент в энергетическом балансе Казахстана.

Правительство Республики Казахстан намеревается значительно увеличить долю электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии. Закон о ВИЭ был подписан Президентом Республики Казахстан 4 июля 2009 года.

Лекция 2. Использование солнца как источники тепловой энергии

Цель лекции: изучить энергетические возможности солнечной энергии и особенности эксплуатации гелиосистем.

Содержание лекции: классификация и основные элементы гелиосистем, свойства солнечной энергии.

Классификация и основные элементы гелиосистем.

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (см. рисунок 1).

1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены;

8 – жалюзи.

Рисунок 1 – Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

− по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

− по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

− по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

− по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рисунке 2. Она включает три контура циркуляции:

- первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

- второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

- третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения;

8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2.

Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Плоский солнечный коллектор – устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (см. рисунок 3) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность;

5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

Рисунок 3 – Плоский солнечный коллектор

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80°С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м²).

Лекция 3. Использование энергии ветра

Цель лекции: изучить достоинства и особенности использования ветра как энергоносителя, определить перспективность использования энергии ветра.

Содержание лекции: ветроэнергетические ресурсы Земли, ветроэнергетические агрегаты мировая концепция использования неисчерпаемых энергетических ресурсов, свойства ветра и солнечной энергии, синэнергетический эффект.

Ветер является следствием скольжения вращающейся Земли относительно своей атмосферы. Это, так называемый, глобальный западный ветер больших высот. Воздушные течения над поверхностью Земли формируются под влиянием Солнца и рельефа местности. В ряде случаев эти влияния складываются, усиливают или ослабляют друг друга, в соответствии со свойством поверхности Земли.

Ветроэнергетические ресурсы Земли неиссякаемы и носят глобальный характер. Ветроэнергетические ресурсы не добываются. Они проявляются в большей или меньшей степени на различных широтах. Наблюдающиеся сегодня изменения климата Земли, вследствие чрезмерного образования парниковых газов, породили более мощные проявления энергии ветра.

Использование энергии воздушных потоков - древнейшая мечта человечества – то обретает реальность в виде паруса и ветряных мельниц для получения механической энергии, то замирает при изобретении тепловых и гидравлических двигателей и централизованной выработки электроэнергии на мощных электростанциях, затем возникает вновь, когда тепловая энергетика стала угрожать всему живому.

Побудительными мотивами этого процесса являются – необходимость преодоления дефицита энергии и бедности, особенно в сельских и отдаленных от централизованного энергоснабжения районах, страх перед глобальным изменением климата и угнетением среды обитания за счет теплового и вещественного ее засорения.

Трудностями при широкомасштабном использовании энергии воздушных потоков является недостаточное знание природы и свойств ветра как энергоносителя, поскольку удельное энергосодержание воздушных потоков при разных скоростях и атмосферных условиях не имеет устойчивых показателей, например, как у топлива в тепловой энергетике или в соотношении между напором и расходом воды в гидроэнергетике.

Ветроэнергетика является наиболее динамично развивающимся коммерческим использованием ВИЭ. Происходит постоянный прирост мощности ВЭС до 25-30% в год. Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:

- неисчерпаемый ресурс энергии, не зависящий от цен на топливо;

- отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов;

- развитый мировой рынок ветроэнергетических установок;

- конкурентная стоимость электроэнергии, не зависящая от стоимости топлива;

- короткие сроки строительства ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке и местным климатическим условиям;

- возможность децентрализованного обеспечения электроэнергией потребителей отдаленных районов.

Ветроэнергетика рассматривается не только как источник энергии. Ветроэнергетика поддерживает социально-экономическое развитие, поддерживает энергетическую безопасность и снижает зависимость экономик от цен на топливо, создает рабочие места и поддерживает меры по сокращению выбросов парниковых газов.

Ветроэнергетика выступает как источник энергии, помогающий странам решать вопросы энергетической безопасности и экологии.

Ветроэнергетические агрегаты.

Ветродвигатель вырабатывает энергию, когда ветер давит на его допасти как на парус или обтекает лопасти крыловидной формы, вызывает тягу так же как, подъемную силу крыла самолета.

Исторически сложилось так, что первым устройством, преобразующим работу ветра в полезную для человека работу, стал парус.

Простейшие ветродвигатели имеют пластинчатые лопасти (см. рисунок 4). Совершив рабочий ход, пластина должна вернуться в исходную позицию, двигаясь против ветра. На обратном пути пластина создает препятствие вращению ветроколеса, и чтобы уменьшить потери, пластину поворачивают ребром или придают ей выпуклую обтекаемую форму.

Для полусферы, открытой навстречу ветру, он также равен 0,197.

Парусные конструкции имеют КИЭВ около 0,15, т.е. значительно ниже, чем у пропеллера, однако они имеют высокий момент трогания и легко приходят в работу при низких скоростях ветра. Наличие экрана несколько улучшает положение, но его нужно переставлять при изменении направления ветра.

Рисунок 4 – Ветродвигатель

Ветродвигатели пропеллерного типа.

Лопасти ротора ветроколеса получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, ветер обеспечивает вращение ветроколеса (см. рисунок 5).

Рисунок 5

Лопасти ветродвигателя с горизонтальной осью вращения не используют силу напора. Вместо этого они используют для вращения подъемную силу лопасти, имеющей крыловидную форму.

Рисунок 6 – Ветроколесо с горизонтальной осью вращения

Сила напора вредная, направлена против движения лопасти, подъемная сила полезная, обеспечивает движение лопасти. Обе силы воздействуют на лопасть и, в конечном итоге, замедляют ветер. При прохождении через ветроколесо скорость ветра замедляется до 1/3 по сравнению с первоначальной, существующей до ветроколеса.

Рисунок 7

Факторы, влияющие на коэффициент использования энергии ветра ветроколесом, или куда уходит и расходуется энергия ветра:

1) Уносится потоком, который огибает ветроколесо, не заходя в него.

2) Отдает энергию, которая вращает ветроколесо. Установлено, что максимальный КИЭВ, который можно получить, равен 0,593 от мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность, мы должны затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости.

3) Расходуется на вращение отходящего воздуха за ветроколесом. Известно, что потери на вращение отходящего воздуха являются наибольшими у тихоходных ветроколес.

4) Расходуется на концевые потери. Вследствие того, что у ветровых колёс с небольшим количеством лопастей большие нагрузки на каждую лопасть, ветер проходит мимо концов лопастей, не совершая полезной работы.

5) Собственные потери на лопасти из-за несовершенства ее аэродинамического качества и, вследствие этого, падение движущей окружной силы. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров.

Аэродинамика воздушных течений также накладывает свои условия на конструкцию ветроколеса, когда каждая задняя лопасть идет в турбулизированном следе, создаваемом в воздухе впереди идущей лопастью, и не развивает своей мощности. Методом проб и ошибок создано большое количество ветровых колес, имеющих одну, две, три, четыре и большее количество лопастей. Однако с 1984 выпускаются преимущественно трехлопастные.

Ветродвигатели с высокой быстроходностью и высокой частотой вращения вала, необходимой для эффективного производства электроэнергии, сопровождаются определенными недостатками:

- сильный шум лопастей;

- вибрация, особенно в случаях 2-лопастного или 1-лопастного ветроколеса;

- низкая эффективность ротора из-за роста лобового сопротивления и концевых потерь;

- трудности при старте.

Чем длиннее лопасть и больше ее площадь, тем большее количество ветра и его энергии она может переработать. Точно так же, чем больше скорость ветра, тем большее количество энергии передается лопасти.

Для поддержания оптимальных эксплуатационных режимов агрегатов и получения максимальной энергии применяются компьютерные системы ориентирования ветроколеса и отдельных лопастей в соответствии с направлением и скоростью воздушных течений. Постановка ветровых турбин большой мощности на ветер осуществляется посредством специальных механизмов с электрическим приводом, потребляющим энергию, вырабатываемую самой станцией или забираемой из электрической системы, в которую включены другие электростанции.

Лекция 4. Биоэнергетика

Цель лекции: изучить энергетические возможности солнечной энергии, достоинства и особенности использования ветра как энергоносителя, определить перспективность вертикально-осевых турбин и совместного использования энергии Солнца и ветра.

Содержание лекции: биоэнергетика, использование биомассы, биогазовые установки.

Под альтернативной энергией понимаются биогаз, биодизель и другие углеводороды, полученные в результате переработки биомассы. Ресурсы данных источников колоссальны, но ограниченны. Альтернативная энергетика удовлетворить потребность человечества может только при экономии энергии. Использование биомассы в энергетических целях дает большие перспективы: можно использовать отходы сельского хозяйства (получение биогаза в животноводстве, использование на ТЭС отходов растениеводства), а также получать топливо (выращивание энергетических лесов).

Использование биомассы.

Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран. Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 млрд. тонн нефти. Использование биомассы может проводиться в следующих направлениях:

- прямое сжигание;

- производство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов;

- производство этилового спирта для получения моторного топлива.

Биогаз получают путем анаэробного (без кислорода) брожения биомассы. В качестве биомассы могут выступать свалочные отходы, отходы животноводства (навоз) и сельского хозяйства, отходы скотобоен, некоторые культуры, например, рапс. В результате брожения биомасса разлагается под воздействием гидролизных, кислотообразующих и метанобразующих бактерий. В состав газа входят 55-65% метана, 35-45% углекислого газа и около 1% водорода и сероводорода.

При переработке 1 т свежего навоза крупного рогатого скота и свиней можно получить 45-60 м³ биогаза, 1 т куриного помета – до 100 м³, из различных видов энергетических растений – 100-500 м³. По теплоте сгорания 1 м³ биогаза равен: 0,8 м³ природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров, 3 кг навозных брикетов. К производству биогаза относят получение лендфилл-газа или биогаза из городских свалок.

Биогазовые установки.

Биогазовые установки называют биореактором, из чего следует, что в нем происходит реакция, результатом которой является биогаз. Процесс получения газа проходит несколько этапов:

- в начале процесса в биореактор загружается сырье.

- в специальной установке сырье проходит подготовку, гомогенизацию, и перемешивается.

- благодаря особым бактериям происходит процесс, называемый анаэробным (бескислородным) сбраживанием, продуктом чего является биогаз.

- затем биогаз направляется для дальнейшего использования.

- отработанное сырье можно использовать в качестве биоудобрения, в котором содержатся необходимые микроэлементы.

Биогазовые установки можно применять как очистительные сооружения. Преимущество заключается в том, что оно, помимо переработки отходов, дает энергию, которую можно использовать для подогрева самой установки, бытового газоснабжения, выработки электро- и теплоэнергии, а при обогащении, т.е. повышения доли содержания метана до необходимых показателей природного газа, им можно заправлять автомобили.

Выгоды установки заключаются в следующем:

1) Экологическая. Установка позволяет уменьшить санитарную зону предприятия в несколько раз. Сократить выбросы углекислого газа в атмосферу.

2) Энергетическая. При сжигании биогаза без обогащения можно получать электричество и тепло.

3) Экономическая. Строительство биогазовой установки позволит сэкономить на затратах по строительству очистных сооружений и утилизации отходов.

4) Установка может служить автономным источником энергии для наших отдаленных регионов. Не секрет, что до сих пор во многих областях перебои с поставкой электричества, дома отапливаются дровами. Возможно, это и звучит несколько утопично, установка сама по себе недешева, но монтаж таких биогазовых станций был бы выходом для жителей необеспеченных регионов.

5) Биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры.

6) Установки могут частично заменить региональные котельные, обеспечить теплом и электричеством поселки и небольшие города в округе.

7) Биогаз, получаемый из установок, может быть использован в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности после переработки в биогазовых установках позволяют получать альтернативную электроэнергию, тепловую энергию, качественные минерализованные азотные удобрения. Такими отходами могут быть навоз скота, свиней, птичий помет, пивная дробина, послеспиртовая барда, канализационные стоки и др.

Процесс производства биогаза может быть разделен на три стадии:

- Гидролиз - окисление и образование метана. В этом сложном комплексе превращений участвует множество микроорганизмов, главными из которых являются метанообразующие бактерии.

- Брожение - кислотопродуцирующие бактерии, которые принимают участие во втором этапе образования биогаза, расщепляют сложные органические соединения (белки, жиры и углеводы) в более простые соединения. При этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения — летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти органические вещества являются источником питания для метанобразующих бактерий, которые превращают органические кислоты в Биогаз.

- Образование метана - метанопроизводящие бактерии, вовлеченные на третьем этапе, разлагают соединения с низким молекулярным весом. Они утилизируют водород, углекислоту и уксусную кислоту. В естественных условиях метанообразующие бактерии существуют при наличии анаэробных условий, например, под водой, в болотах. Они очень чувствительны к изменениям окружающей среды, поэтому от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.

Преимущества внедрения биогазовых установок:

- отсутствие экологических налогов и сборов;

- получение собственной электроэнергии;

- получение биогаза, метана, углекислоты;

- получение минерализованных азотных удобрений (повышение урожайности до 30%);

- наличие вышеуказанных преимуществ дает хозяйству возможность снижения себестоимости выпускаемой продукции.

Когенерация есть комбинированное производство электрической и тепловой энергии одновременно из одного и того же первичного источника энергии. В нашем случае единственным первичным источником является метан, который мы получаем после переработки животноводческих стоков и очистки. Обратите внимание, что данная технология переработки органических отходов не потребляет электроэнергию, а производит. Другие же технологии по переработке и утилизации отходов, наоборот, только потребляют.

Оборудование для получения электроэнергии и тепла.

В настояще время существует масса когенерационных установок, которые работают по принципу выработки электроэнергии и тепла от единственного источника энергии. Технология комбинированного получения электроэнергии и тепла позволяет с высокой эффективностью использовать первичный источник энергии в нашем случае горючий газ, для получения двух форм полезной энергии - тепловой и электрической одновременно. Преимущество когенератора, перед обычными теплоэлектростанциями, состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью (см. рисунок 8).

Рисунок 8

В целом, топлива из биомассы по своим характеристикам в зависимости от способа получения и вида массы значительно отличаются не только по влажности, но в ряде случаев и по зольности, и по содержанию азота. Это указывает также на необходимость предварительного, тщательного перемешивания топлива из биомасс для уменьшения разброса и усреднения характеристики непосредственно используемого топлива при поступлении биомасс разных видов и групп на один объект.

Существует ряд промышленных угольных технологий, которые в потенциале наиболее приспособлены к совместному сжиганию угля с биомассой. Сюда относятся: слоевые топки; технология сжигания в стационарном (пузырьковом) кипящем слое (КС); система сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС); циклонные топки; установки с пылеугольным факельным сжиганием. Сюда же следует отнести технологии с системами предварительной газификации угля (с газификаторами различной модификации).

Все указанные технологии совместного сжигания в большей или меньшей степени имеют технические проблемы и ограничения, которые, однако, ни в коей мере не являются непреодолимыми.

Лекция 5. Геотермальная энергетика

Цель лекции: показать возможности и способы использования тепла Земли для получения тепловой и электрической энергии, перспективы геоэнергетики в Казахстане.

Содержание лекции: тепло Земли, геотермальная энергетика, теплоснабжение.

Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли.

Преимуществом геотермальной энергетики является ее практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО₂, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВт/ч).

Однако тепло Земли очень «рассеянно», и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры, или 137 трлн. т у.т.

Геотермальная энергетика.

Построить такую станцию очень дорого, но эксплуатационные расходы очень низкие, что дает возможность подходящим объектам получать дешевую энергию. Фактически, эта энергия утилизирует тепло из земной коры.

При производстве геотермальной энергии используется три вида электростанций: утилизирующие сухой пар, выпар и бинарный пар:

1) Силовые агрегаты на сухом паре утилизируют пар из разломов в земной коре и используют его для прямого запуска турбины, которая вращает генератор.

2) Электростанции на выпаре утилизируют горячую воду из земли при температуре 200С, позволяют ей прокипеть когда она поднялась на поверхность, затем отделяют паровую фазу в паро/водных сепараторах, и затем пропускают пар через турбину.

3) В станциях на бинарном паре горячая вода проходит через теплообменники, приводит к кипению органическую жидкость, которая вращает турбину. Пароконденсат и оставшаяся геотермальная жидкость во всех трех видах станций на выходе возвращаются обратно в горячие земные недра для дальнейшего набора температуры.

Геотермальная энергия ядра Земли в некоторых местах находится ближе к земной поверхности, чем в других. В тех местах, где подземный пар или воду можно достать и дренировать на поверхность, их можно использовать для производства электроэнергии. Такие геотермальные источники имеются в некоторых геологически нестабильных регионах земли, например, в Чили, Исландии, Новой Зеландии, США, Филиппинах и Италии. Два самых ярких представителя таких мест в США находятся в бассейне Йеллоустоуна и северной Калифорнии. Исландия производит 170 МВ геотермальной энергии, а в 2000 году 86% всех жилых домов в стране отапливалось геотермальной энергией. В общей сложности в наличии имеется около 8000 МВт операционной энергии.

Также имеется потенциал получения геотермальной энергии из горячих каменных пород. Для этого необходимо проложить каналы глубиной, по крайней мере, 3 км. Некоторые из таких каналов качают воду в землю, но некоторые качают ее наружу. Тепловой ресурс состоит из того, что под землей находятся горячие радиогенные гранитные породы, которые нагреваются, когда между породой и земной поверхностью существует достаточный слой осадка.

Тепловые насосы.

Тепловые насосы представляют собой компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления от частных коттеджей до многоквартирных жилых домов за счет использования тепла низкопотенциального источника (грунтовых и артезианских вод, озер, морей, грунта, земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Принцип работы.

Любой тепловой насос состоит из трех основных агрегатов: теплообменника (испарителя), компрессора (повышающего давление) и конденсатора. Эти агрегаты связаны между собой замкнутым трубопроводом. В системе трубопровода циркулирует хладагент, который в одной части цикла представляет собой жидкость, а в другой – газ. При каждом тепловом насосе необходимо наличие источника тепла, температура которого настолько низка (0–25°C), что его невозможно использовать непосредственно. Источником тепла может выступать скалистая порода, земля (грунт) или вода.

Принцип действия теплового насоса следующий. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю или по дну озера, нагревается на несколько градусов. Затем внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник (испаритель), отдает собранное в окружающей среде тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненный хладагентом. Хладагент имеет очень низкую температуру кипения. Проходя через испаритель, он превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре –5°C. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до состояния высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. После прохождения через конденсатор жидкий хладагент может быть еще охлажден, а температура воды прямого трубопровода системы отопления повышена посредством дополнительно установленного сабкулера (сабкулер – устройство, обеспечивающее извлечение дополнительной энергии). При прохождении хладагента через специально редукционный клапан давление его (хладaгента) понижается, и тогда он снова попадает в испаритель, а затем во внешний контур системы. Так цикл повторяется снова.

Альтернативные источники тепла.

Тепловые насосы могут использовать в качестве источника тепла энергию грунта земельного участка. Трубопровод, в котором циркулирует теплоноситель, зарывают в землю на глубину от 80 см. до 1.30 м в зависимости от климата региона и глубины промерзания почвы (при минимальном расстоянии между соседними трубопроводами – 0,8–1 м). Никакой специальной подготовки почвы при этом не требуется. Существуют только некоторые требования к грунту. Так, желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально – с близко подходящими грунтовыми водами. Впрочем, и сухой грунт не будет помехой для устройства системы, нужно только увеличить длину контура (трубопровода). Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт потребуется земляной контур длинной 350–450 метров. Для его укладки вполне подойдет участок земли площадью около 400 кв. м. Что касается садово-огородной растительности, то при правильном расчете контур не оказывает совершенно никакого влияния на зеленые насаждения. Существует также возможность использования для обогрева тепло скалистых пород. В скале бурится тепловая скважина глубиной 60–200 м (глубина зависит от потребностей дома в тепле и размеров теплового насоса) и диаметром 10–15 см. В буровую скважину устанавливают трубопровод, имеющий форму буквы «U». Принцип действия этого теплового насоса такой же, как при использовании тепла грунта. Использовать в качестве источника тепла возможно и грунтовые воды, через пробуренные в грунте скважины. Близлежащие водоемы или реки являются так же идеальным вариантом. В этом случае контур укладывают на дно водоема. Преимущества такого метода – короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме даже зимой всегда положительная и редко опускается ниже +4°С), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, – 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Для того чтобы трубопровод не всплывал, на один погонный метр «шланга» навешивают около 5 кг груза. Обратите внимание, что чем глубже проложен трубопровод, тем меньше риск его повреждения. Опыт показывает, что тепловой насос должен покрывать 70–90% (в зависимости от теплового источника) общей годовой потребности в энергии для отопления и горячего водоснабжения. При низких температурах зимой тепловой насос применяется с пиковым доводчиком, которым он укомплектован, или в сочетании с уже имеющимся котельным оборудованием. Подбор мощности теплового насоса, а также источника тепла зависит от многих факторов: энергетических потребностей дома, его изоляции, года постройки, установленной отопительной системы и т. д. Практика показывает, что тепловой насос позволяет осуществить процесс отопления без загрязнения окружающей среды вредными выбросами и чрезмерного потребления природных ресурсов, одновременно ощутимо уменьшая денежные затраты.

Потенциал геотермальной энергетики в Казахстане.

Казахстан обладает значительными ресурсами геотермальной воды со средней и низкой температурой. Геотермальное месторождение Капланбек (недалеко от города Чимкента), с температурой воды 80° С, используется для теплоснабжения жилых домов. Рядом с городом Алматы геотермальный источник с температурой 80-120° C используется для отопления теплиц зимой и кондиционирование летом. На состояние 2007 года, Казахстан не использует геотермальные ресурсы для производства электроэнергии.

Лекция 6. Использование энергии волн океанов и морей

Цель лекции: показать способы и технические средства преобразования энергии движущейся воды в электроэнергию.

Содержание лекции: энергия приливов и течений в океанах, энергия биомассы мирового океана.

Мировой океан содержит колоссальные запасы энергии. Внутренняя энергия воды (тепловая), соответствующая перегреву воды на поверхности океана, по сравнению с донными, например, на 20 градусов, имеет значение около 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия течений в океанах оценивается величиной около 10¹⁸ Дж. Но люди сегодня умеют использовать только самую малую долю этой энергии, при этом ценой больших и долго окупающихся капиталовложений. Поэтому энергетика, основанная на использовании внутренней энергии воды, до наших дней казалась малоперспективной.

Но ограниченные запасы ископаемых топлив (газа и нефти), использование которых способствует загрязнению экологии, истощение запасов урана (наряду с опасными радиоактивными отходами), а также неопределенность сроков и последствий влияния на экологию использования в промышленности термоядерной энергии вынуждает инженеров и ученых уделять больше внимания поиску новых возможностей применения безвредных источников энергии: разницы в уровне воды в реках, а также тепла солнца, энергии Мирового океана, ветра. Общественность, а также многие инженеры еще не знают, что работы по извлечению внутренней энергии воды из океанов и морей в последние годы в некоторых странах приобрели уже большие масштабы, что у них есть обещающие перспективы. Океан хранит в себе несколько видов энергии: энергию океанских течений, приливов и отливов, термальную энергию воды (внутреннюю) и некоторые другие.

Энергия приливов

Самым очевидным способом применения энергии океанов является запуск приливных электростанций (ПЭС). Во Франции с 1967 года в устье реки Ранс на приливах, высота которых достигает 13 метров, функционирует ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с ежегодной отдачей 540 тыс. кВт/ч. Инженер Бернштейн выявил удобный метод постройки блоков ПЭС, которые можно буксировать в нужные места на плаву, рассчитал рентабельную последовательность включения электростанции в энергосети в часы их наибольшей нагрузки потребителями энергии. Идеи его уже опробованы на ПЭС, созданной в 1968 году возле Мурманска в Кислой Губе; дальше они будут проверены на ПЭС на 6 млн. кВт на Баренцевом море в Мезенском заливе.

Маяки и бакены, использующие энергию волн, усеяли побережья морей и океанов Японии. Бакены – свистки береговой охраны США уже годами действуют благодаря колебаниям волн. Сегодня уже практически не осталось прибрежных районов, где бы ни было своего собственного изобретателя, создающего устройства, работающие на основе энергии волн. С 1966 года, два города во Франции удовлетворяют свои потребности в электричестве полностью за счет энергии приливов и отливов.

Получение энергии на основе разности химического состава воды.

В водах океана растворено множество солей. Можно ли использовать соленость воды в качестве источника энергии? Можно. Большое содержание солей в океане навело ученых Скриппского института океанографии в Ла-Колла (Калифорния) на мысль о создании таких сооружений. Они пришли к выводу, что для получения большого количества энергии можно создать батареи, где бы происходили реакции между несоленой и соленой водой.

Энергия биомассы мирового океана.

В водах океана содержится прекрасная среда для поддержания жизни, в составе которой находятся питательные вещества, соли и минералы. В этой среде кислород, растворенный в воде, питает всех животных морей - от мельчайших до самых больших. Углекислый газ, растворенный в воде, способствует жизни морских растений - от диатомовых одноклеточных водорослей до бурых водорослей, которые достигают высоты 200-300 футов (60-90 метров). Морскому биологу стоит сделать один шаг вперед, и он сможет перейти от восприятия океана в качестве природной системы поддержания жизни к попытке извлечения на научной основе энергии из этой системы. В середине 70-х годов при поддержке ВМФ США группа ученых в области исследования океана, водолазов, морских инженеров создала первую в мире энергетическую ферму в океане на глубине 40 футов (12 метров) под гладью Тихого океана, залитой солнцем, рядом с городом Сан-Клемент. Ферма имела небольшие размеры, это был эксперимент. На ней выращивались гигантские бурые водоросли. Директор проекта доктор Говард А. Уилкокс, являющийся сотрудником Центра исследований океанских и морских систем в Сан-Диего (Калифорния), считает, что до 50% энергии полученных водорослей можно превращать в топливно-природный газ метан (С2Н6). Фермы будущего, производящие водоросли на площади около 100000 акров (40 тыс. га), смогут вырабатывать энергию, достаточную для того, чтобы удовлетворить потребности города в США с населением 50000 человек.

Энергия течений в океанах.

Группа океанологов заметила тот факт, что течение Гольфстрим несет воды рядом с берегами Флориды со скоростью5 миль в час. Идея применить этот теплый поток воды заманчива. Возможно ли это? Смогут ли гигантские подводные пропеллеры и турбины, похожие на ветряные мельницы, вырабатывать электричество, получая энергию из течений и волн? Комитет Мак-Артура, находящийся под эгидой Национального управления по исследованию атмосферы и океана в Майами (Флорида), в 1974 сделал заключение, что СМОГУТ. Общее мнение состояло в том, что определенные проблемы есть, но они все могут решиться в случае выделения ассигнований, так как «в данном проекте нет ничего, что бы превышало возможности технологической и современной инженерной мысли».

Термальная энергия океана (внутренняя энергия воды).

Заметное внимание получила «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК) – генерирование электрической энергии на основе разности между температурами воды на поверхности океана и глубинными океанскими водами, засасываемыми насосом, например, при использовании в замкнутом цикле турбины фенола или аммония (легкоиспаряющихся жидкостей).

Температура океанской воды различна в разных местах. Между тропиком Козерога и тропиком Рака поверхность воды прогревается до 82 градусов по Фаренгейту (27°С). На глубине около 2000 футов (6000 метров) температура снижается до 35-38 градусов по Фаренгейту (2-3,5°С). Можно ли использовать разницу температур, т.е. внутреннюю энергию воды в целях получения электрической энергии? Может ли тепловая энергоустановка, находящаяся под водой, производить электричество? Да, может.

В далекие 1920-е годы Жорж Клод, решительный, настойчивый и одаренный французский физик, решил исследовать эту возможность. Он выбрал участок океана рядом с берегами Кубы, сумел после нескольких неудачных попыток создать установку 22 кВт мощностью. Это стало научным достижением и приветствовалось множеством ученых. Применяя теплую воду с поверхности океана и холодную с глубины, создав соответствующую технологию, мы имеем все необходимое для генерирования электроэнергии, уверяли сторонники применения внутренней энергии воды океана. «По оценкам, полученным нами, в водах поверхности океана существуют запасы энергии, превышающие в 10000 раз общемировую потребность в энергии». «Увы, - отрицали скептики, - Жорж Клоду удалось получить лишь 22 киловатта электроэнергии в заливе Матансас. Дало ли это прибыль?» «Нет, не дало, так как для получения этих 22 киловатт Клоду пришлось затратить на работу насосов 80 киловатт».

В наше время профессор Скриппского океанографического института Джон Исаакс выполняет вычисления более аккуратно. По его данным, современная технология поможет создать энергоустановки, применяющие для выработки электроэнергии разницу температур в водах океана (внутреннюю энергию воды), которые вырабатывали бы его в два раза больше, чем потребляет весь мир на сегодняшний день. Это будет электрическая энергия, которая преобразует термальную энергию океана (ОТЕС).

Лекция 7. Энергия движущейся воды. Гидроэнергетика

Цель лекции: показать способы и технические средства преобразования энергии движущейся воды в электроэнергию, возможности развития «малой гидроэнергетики в Казахстане».

Содержание лекции: работа водного потока, структурные схемы гидроэлектростанций, классы и характеристики гидравлических турбин и генераторов.

Водные ресурсы.

Вода является одним из наиболее распространенных и наиболее подвижных тел Природы. Она участвует во всех физических, химических и биологических процессах, совершающихся на Земле. Вода – самый главный элемент живой природы - «есть вода – есть жизнь». Вода это вещество, которое ничем другим заменить нельзя и если сейчас воюют за энергию, то в связи с дефицитом пресной воды в скором будущем будут воевать за водные ресурсы, за чистую воду.

Водными ресурсами называются поверхностные и подземные воды, используемые или которые могут быть использованы для различных целей жизнеобеспечения общества.

Внутриматериковые воды (реки и озера) с давних пор использовались главным образом для целей водного транспорта и орошения и только сравнительно недавно стали применяться для различных технологических нужд, например, как промежуточный энергоноситель в тепловых и атомных станциях, и использоваться как ценный источник энергии. В последние годы в связи с ростом населения Земли пресные воды приобретают все большее значение во многих сферах промышленности, сельского хозяйства и, разумеется, быта, пресную воду заменить нечем.

В связи с постоянным перемещением воды в природе, ее круговоротом, водные ресурсы являются возобновляемыми, и количество воды в гидросфере не уменьшается, а по некоторым данным увеличивается, в связи с образованием большого количества воды при сжигании углеводородного топлива.

Структурные схемы гидроэлектростанций.

Для превращения речного стока в гидроэнергетические ресурсы и электроэнергию необходимо несколько компонентов:

- водохранилище, образующееся при перегораживании русла реки плотиной, создающей напор воды перед турбиной;

- деривация – каналы и трубопроводы, подающие воду в турбины;

- турбины, преобразующие поступательное движение воды во вращательное движение ротора;

- электрогенераторы.

Водохранилище отличается от естественного водоема – озера - тем, что оно сооружается на реке специально для регулирования речного стока и имеет переменный уровень, зависящий от величины поступления воды и расхода ее через турбины ГЭС.

Состав и компоновка основных сооружений.

Существуют две основные схемы создания напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся в свою очередь на два типа: русловые и приплотинные.

Деривационные ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной и с напорной деривацией.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС. При напоре до 25-30 м здание станции размещается в одном комплексе с плотиной и воспринимает напор воды. Такие гидроэлектростанции называются русловыми.

Плотины являются основными сооружениями гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Плотины делятся на две группы по используемым материалам для их возведения: плотины бетонные (железобетонные) и плотины из грунтовых материалов (земляные и каменно-набросные).

Плотины могут быть глухими, т. е. не допускающими перелива воды через гребень, и водосливными. Последние выполняются с поверхностными водосливами или заглубленными (донными) отверстиями для пропуска воды.

Сооружения деривационных ГЭС располагаются на двух уровнях – верхнем – головной водозабр и нижнем - станционном, соединенных между собой трубопроводом.

Безнапорная деривация выполняется в виде открытого канала. У станционного узла канал заканчивается, переходит в напорный бассейн, откуда вода по турбинным трубопроводам поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС, и далее в отводящий канал и в русло реки.

Гидравлические турбины.

Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы: осевые (пропеллерные и поворотно-лопастные), диагональные и радиально-осевые гидротурбины.

В классе активных гидротурбин наибольшее распространение получили, так называемые, ковшовые гидротурбины.

Каждая система содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные проточные части и одинаковую быстроходность (частота вращения турбины, работающей под напором 1 м и развивающей мощность в 1 л. с), но различающихся по размерам. Геометрически подобные гидротурбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все гидротурбины условно делят на низко-, средне- и высоконапорные.

Гидротурбины условно подразделяют на малые, средние и крупные.

К малым относятся гидротурбины, у которых мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним относятся гидротурбины мощностью от 1000 кВт до 15000 кВт.

К крупным относятся гидротурбины, которые имеют мощность большую, чем средние.

Активные гидротурбины. Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Подвод воды к рабочему колесу осуществляется через сопло 3, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет собой сходящийся насадок, из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды, вся энергия которой, за вычетом потерь, обращается в кинетическую энергию вращения колеса турбины. Рабочее колесо и сопло размещаются внутри замкнутого кожуха.

Игла может перемещаться в насадке в продольном направлении, менять его выходное сечение и тем самым регулировать расход воды через турбину.

В одном из крайних положений игла полностью закрывает сопло, что ведет к остановке турбины. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал (нижний бьеф).

При внезапном отключении гидроагрегата от электрической сети и при быстрой остановке турбины в подводящем трубопроводе может возникнуть очень опасный для трубопровода гидравлический удар. В целях предотвращения гидравлического удара, игла закрывается медленно. А для предотвращения разгона турбины до опасных оборотов и быстрой остановки применяется отвод струи от рабочего колеса в нижний бьеф с помощью отклонителя. При экстренном выводе турбины из работы ввод отклонителя струи и перемещение иглы производится одновременно.

Конструктивные формы ковшовых турбин весьма разнообразны, они могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины используются в диапазоне напора 300 - 1770 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 300 МВт.

Класс реактивные гидротурбины. К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные и диагональные. Для реактивных гидротурбин характерны следующие основные признаки. Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток передает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса. Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная представлена потенциальной энергией, соответствующей разности давлений до и после колеса.

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой гидротурбины и его КПД, при заданном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла поворота j лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД гидротурбины будет иметь наибольшее значение. Лопасти рабочего колеса при работе гидротурбины могут поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает большие преимущества, так как обеспечивается автоматическое поддержание высокого значения КПД в широком диапазоне мощностей.

Генераторы гидроэлектростанций.

Для комплектации ГЭС используются явнополюсные синхронные генераторы с частотой вращения ротора в пределах от 20 до 1000 об/мин. Такой широкий диапазон частот вращения связан с большим разнообразием расходов и напоров воды, используемых на гидростанциях. Как правило, генераторы ГЭС выполняются в ограниченном количестве экземпляров по индивидуальным проектам.

Потенциал гидроэнергетики Республики Казахстан образуется учетом перспективных для строительства и восстановления крупных, средних, малых и мини гидроэлектростанций на реках и гидросооружениях. Так, в Алматинской области имеется возможность строительства 9 ГЭС мощностью более 50 МВт - с суммарной мощностью 1325.4 МВт, 34 ГЭС мощностью от 10 до 50 МВт суммарной мощностью 820.4 МВт. Итого: по 17 ГЭС мощностью от 1 до 10 МВт – 97,8 МВт, Суммарная мощность 9 мини ГЭС мощностью до 1 МВт на разных реках составляет 7,2 МВт.

Большой экономический эффект возникает при создании местных энергетических систем, использующих три вида возобновляемых энергетических ресурсов – воды, ветра и солнца. Это определяется тем, что летом солнечная энергия больше, чем зимой, реки несут больше воды, весенние паводковые воды могут накапливаться в водохранилище и срабатываться по мере необходимости. Ветровая активность более высокая в зимнее время, и тогда потребность в электроэнергии может удовлетворяться за счет ветроэлектростанций. Примером такого удачного сочетания являются ветер, Солнце Джунгарских ворот и водные ресурсы втекающей в Джунгарские ворота горной реки Ыргайты.

Лекция 8. Энергосбережение

Цель лекции: изучить основные способы экономии электроэнергии.

Содержание лекции: энергосбережение и способы экономии электроэнергии:

Энергосбережение – реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергосбережение – важная задача по сохранению природных ресурсов [6,9].

В настоящее время наиболее насущным является бытовое энергосбережение (энергосбережение в быту), а также энергосбережение в сфере ЖКХ. Препятствием к его осуществлению является сдерживание роста тарифов для населения на отдельные виды ресурсов (электроэнергия, газ), отсутствие средств у предприятий ЖКХ на реализацию энергосберегающих программ, низкая доля расчетов по индивидуальным приборам учёта и применение нормативов, а также отсутствие массовой бытовой культуры энергосбережения.

Экономия электрической энергии.

Наиболее распространенный способ экономии электроэнергии – оптимизация потребления электроэнергии на освещение. Ключевыми мероприятиями оптимизации потребления электроэнергии на освещение являются:

- максимальное использование дневного света (повышение прозрачности и увеличение площади окон, дополнительные окна);

- повышение отражающей способности (белые стены и потолок);

- оптимальное размещение световых источников (местное освещение, направленное освещение);

- использование осветительных приборов только по необходимости;

- повышение светоотдачи существующих источников (замена люстр, плафонов, удаление грязи с плафонов, применение более эффективных отражателей);

- замена ламп накаливания на энергосберегающие (люминесцентные, компактные люминесцентные, светодиодные);

- применение устройств управления освещением (датчики движения и акустические датчики, датчики освещенности, таймеры, системы дистанционного управления);

- внедрение автоматизированной системы диспетчерского управления наружным освещением (АСДУ НО);

- установка интеллектуальных распределённых систем управления освещением (минимизирующих затраты на электроэнергию для данного объекта).

Электропривод.

Основными мероприятиями являются:

- оптимальный подбор мощности электродвигателя;

- использование частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Электрообогрев и электроплиты.

Основные мероприятия:

- подбор оптимальной мощности электрообогревательных устройств;

- оптимальное размещение устройств электрообогрева для снижения времени и требуемой мощности их использования;

- повышение теплообмена, в том числе очистка от грязи поверхностей устройств электрообогрева и конфорок электроплит;

- местный (локальный) обогрев, в том числе переносными масляными обогревателями, направленный обогрев рефлекторами;

- использование масляных обогревателей с вентилятором для ускорения теплообмена в квартире;

- использование устройств регулировки температуры, в том числе устройств автоматического включения и отключения, снижения мощности в зависимости от температуры, временных таймеров;

- использование тепловых аккумуляторов;

- замена электрообогрева на обогрев с использованием тепловых насосов;

- замена электрообогрева на обогрев газом или подключение к централизованному отоплению, в случаях, когда такая замена выгодна с учётом требуемых инвестиций;

- использование посуды с широким плоским дном.

Для холодильных установок и бытовых холодильников основными способами снижения потребления электроэнергии являются:

- оптимальный подбор мощности холодильной установки;

- качественная изоляция корпуса (стенок), двери холодильной установки, холодильника, прозрачная крышка в холодильнике для продуктов, с качественной изоляцией;

- приобретение современных энергосберегающих холодильников;

- не допускать образования наледи, инея в холодильнике, вовремя размораживать;

- не рекомендуется помещать в холодильную установку (холодильник) материалы и продукты, имеющие температуру выше температуры окружающей среды, - их необходимо максимально охладить на воздухе;

- проанализировать возможность отказа от холодильника;

- качественный отвод тепла - не рекомендуется ставить бытовой холодильник к батарее или рядом с газовой плитой.

Для кондиционеров:

- необходимо корректно подбирать мощность и место установки кондиционера, исходя из объема помещения, количества и расположения человек, присутствующих в помещении и др. характеристик;

- при кондиционировании окна и двери должны быть закрыты - иначе кондиционер будет охлаждать улицу или коридор;

- чистить фильтр, не допускать его сильного загрязнения;

- необходимо настроить режим автоматического поддержания оптимальной температуры, не охлаждая, по возможности, комнату ниже 20-22 градусов;

- обдумать степень необходимости установки и использования кондиционеров, в том числе и с архитектурной точки зрения (кондиционеры висящие на фасадах домов);

- необходимо следить за тем, чтобы отключать кондиционер на ночь.

Потребление бытовых и прочих устройств:

- при выборе новой аудио-, видео-, компьютерной- и др. техники отдавайте предпочтение, при прочих равных характеристиках, устройству с меньшим энергопотреблением как в рабочем режиме, так и в дежурном режиме (большинство современных бытовых устройств потребляют электроэнергию даже в выключенном состоянии, т.к. не выключаются полностью, а переводятся в «спящий» режим);

- пользуйтесь энергосберегающим «спящим» режимом, если он есть в приборе или устройстве;

- замените, по возможности, приборы, имеющие в своем составе трансформаторные блоки питания, на аналогичные с импульсными блоками питания;

- не наливайте полный чайник, если вам нужен кипяток всего для одной чашки напитка;

- не оставляйте без необходимости включенными в сеть зарядное устройства для мобильных приборов (очень актуально из-за возрастающего объема таких приборов);

- старайтесь избегать использования удлинителей, а если это необходимо, то пользуйтесь качественными удлинителями с проводом большого сечения (при малом сечении провод начинает греться и электроэнергия уходит не на полезную работу электроприбора, а на нагрев провода удлинителя).

Для снижения потерь в сети необходимо:

- использование энергосберегающих устройств;

- увеличение значений номиналов проводников - проводов и кабелей;

- использование только проводов и кабелей с медной жилой;

- отслеживание несанкционированных подключений.

Для снижения теплопотерь необходимо:

- использование теплосберегающих материалов при строительстве и модернизации зданий;

- установка теплосберегающих оконных конструкций и дверей.

Повышение эффективности систем теплоснабжения.

Мероприятия по повышению эффективности систем теплоснабжения предусматривают следующие направления оптимизации:

1) Со стороны источника:

- повышение эффективности источников теплоты за счет снижения затрат на собственные нужды;

- использование современного теплогенерирующего оборудования, такого, как конденсационные котлы и тепловые насосы;

- использование узлов учёта тепловой энергии;

- использование ко- и три- генерации.

2) Со стороны тепловых сетей:

- снижение тепловых потерь в окружающую среду;

- оптимизация гидравлических режимов тепловых сетей;

- использование современных теплоизоляционных материалов;

- использование антивандальных покрытий при наружной прокладке тепловых сетей;

- снижение утечек и несанкционированных сливов теплоносителя из трубопроводов.

3) Со стороны потребителей:

- снижение тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции;

- использование вторичных энергоресурсов;

- использование систем местного регулирования отопительных приборов для исключения перетопа;

- перевод зданий в режим нулевого потребления теплоты на отопление. При этом поддержание параметров воздуха в здании должно происходить за счет внутренних выделений теплоты и высоких параметров тепловой изоляции;

- использование узлов учёта тепловой энергии.

В целом же меню «технических решений» по модернизации систем теплоснабжения очень обширно и далеко не ограничивается вышеизложенным списком. Ниже приведен пример перечня мер из «Программы модернизации систем теплоснабжения» комплексной программы развития и модернизации жилищно-коммунального комплекса целого региона, включающего 22 муниципальных образования; 126 городских и сельских поселений; более чем 200 отдельных систем теплоснабжения.

Основные мероприятия программы разбиты на шесть укрупненных групп:

- проведение предпроектных обследований объектов теплоснабжения;

- строительство новых котельных;

- модернизация и реконструкция котельных и ЦТП;

- модернизация и строительство тепловых сетей;

- внедрение ресурсосберегающих технологий.

Для максимизации эффекта программы ее реализуют в комплексе с модернизацией системы теплозащиты жилых и общественных зданий, совершенствованием их инженерных систем, мерами по утеплению квартир, оснащению их приборами учёта и эффективной водоразборной арматурой.

Экономия воды:

- установка приборов учёта потребления воды;

- использование воды, только когда это действительно необходимо;

- установка сливных унитазных бачков, имеющих выбор интенсивности слива воды;

- установка автоматических регуляторов расхода воды, аэраторов с регуляторами 6 л\мин для крана и регуляторов 10 л\мин для душа.

Экономия газа:

- подбор оптимальной мощности газового котла и насоса;

- утепление помещений, оптимальный подбор эффективных радиаторов отопления в помещениях, где используется обогрев газовым котлом;

- использование на газовых плитах посуды с широким плоским дном, закрывающейся крышкой, желательно прозрачной, подогрев в чайнике только необходимого количества воды;

- переход, по возможности, на максимально широкое использование иных источников тепла.

Эффективность и экономический расчет.

При реализации мероприятий энергосбережения и повышения энергоэффективности различают:

- начальные инвестиции (или увеличение, прирост инвестиций из-за выбора более эффективного оборудования). Например, замена окон в существующем доме на пластиковые стеклопакеты - инвестиции в энергосбережение, а отказ от установки обычных светильников в пользу светодиодных в строящемся доме - увеличение инвестиций в энергосбережение (в доле превышения стоимости светодиодных светильников над обычными);

- единовременные затраты на проведение энергоаудита (энергообследования);

- единовременные затраты на приобретение и монтаж приборов учёта и систем автоматического контроля, удаленного снятия показаний приборов учёта;

- текущие расходы на премирование (поощрение) ответственных за энергосбережение.

Как правило, эффекты от мероприятий энергосбережения рассчитывают:

- как стоимость сэкономленных энергоресурсов или доля стоимости от потребляемых энергоресурсов, в т.ч. на единицу продукции;

- как количество тонн условного топлива (т.у.т.) сэкономленных энергоресурсов или доля от величины потребляемых энергоресурсов в т.у.т.;

- в натуральном выражении (кВт×ч., Гкал и т.д.);

- как снижение доли энергоресурсов в ВВП в стоимостном выражении, либо в натуральных единицах (т.у.т., кВт×ч.).

Эффекты от мероприятий энергосбережения можно разделить на несколько групп:

- экономические эффекты у потребителей (снижение стоимости приобретаемых энергоресурсов);

- эффекты повышения конкурентоспособности (снижение потребления энергоресурсов на единицу производимой продукции, энергоэффективность производимой продукции при ее использовании);

- эффекты для электрической, тепловой, газовой сети (снижение пиковых нагрузок приводит к снижению риска аварий, повышению качества энергии, снижению потерь энергии, минимизации инвестиций в расширение сети и, как следствие, снижению сетевых тарифов);

- рыночные эффекты (например, снижение потребления электроэнергии, особенно в пиковые часы, приводит к снижению цен на энергию и мощность на оптовом рынке электроэнергии - особенно важным является снижение потребления электроэнергии населением на освещение в вечернем пике);

- эффекты, связанные с особенностями регулирования (например, снижение потребления электроэнергии населением уменьшает нагрузку перекрестного субсидирования на промышленность - в настоящее время в России население платит за электроэнергию ниже ее себестоимости, дополнительная финансовая нагрузка включается в тарифы для промышленности);

- экологические эффекты (например, снижение потребления электрической и тепловой энергии в зимнее время приводит к разгрузке наиболее дорогих и «грязных» электростанций и котельных, работающих на мазуте и низкокачественном угле);

- связанные эффекты (внимание к проблемам энергосбережения приводит к повышению озабоченности проблемами общей эффективности системы - технологии, организации, логистики на производстве, системы взаимоотношений, платежей и ответственности в ЖКХ, отношения к домашнему бюджету у граждан).

Список литературы

1. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.

2. Тлеуов А.Х. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Фолиант, 2009.

3. Матвеев В. Возобновляемые источники энергии. Энергия-солнца, биомассы, ветра, воды. Энергетические технологии и установки. – А.: «Бастау», 2009.

4. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – М.: РадиоСофт, 2008.

5. Искаков Н. Возобновляемые источники энергии и энергосбережение. – Астана, 2008.

6. Арутюнян А.А. Основы энергосбережения. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2007.

7. Лабейш В.Г. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Учебное пособие. – СПб.: СЗТУ, 2003.

8. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А. и др. - СПб.: Наука, 2002.

9. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики: справочник – каталог / Арбузов Ю.Д., Безруких П.П. и др. - АО «Новые и возобновляемые источники энергии», 2002.

10. Энергетическая безопасность и малая энергетика // XXI век: сб. докл: Всероссийской НТК. - СПб., 2002.

11. Каралюнец А.В. Основы инженерной экологии Термические методы обращения с отходами / Каралюнец А.В., Маслова Т.Н., Медведев В.Т. - М.: МЭИ, 2000.

12. Оборудование ГЭС: учеб. пособие /Александровский А.Ю., Заболоцкий Ю.А., Матвиенко Н.И. и др. - М.: МЭИ, 1992.

Сводный план 2013 г., поз. 234

Еркин Сериккалиевич Умбетов
Ольга Петровна Живаева

Редактор Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать ________
Формат 60х84 1/16
Тираж 50 экз.
Бумага типографская №1
Объем 2,4 уч.-изд.л.
Заказ ______. Цена 240 тг.

Копировально-множительное бюро
Некоммерческое акционерное общество
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126