Возобновляемые источники энергии, их описание и параметры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

(национально исследовательский университет)

Факультет «Энергетический»

Кафедра «ЭПА»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Общая энергетика»

Возобновляемые источники энергии, их описание и параметры

Челябинск 2013г.



АННОТАЦИЯ

Цель реферата - рассмотрение ВИЭ в России и странах мира, описание источников энергии и изучение их параметров.

Задачи реферата - изучить, обобщить, проанализировать экономические и технологические характеристики источников энергии.

Новизна реферата состоит в том, что ВИЭ рассмотрены с точки зрения современных технологий, так как при подготовке использовалась литература не позднее 10 лет издания.



ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие энергетики в России характеризуется ростом стоимости производства энергии. Наибольшее увеличение стоимости энергии наблюдается в удаленных районах Сибири и Дальнего Востока России, Камчатки, Курильских островов, где в основном используются децентрализованные системы электроснабжения на базе дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах часто превышает мировой уровень цен и достигает 0,25 и более долларов США за 1 кВтчас.

Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают сегодня проблемы энергообеспечения на основе развития возобновляемой энергетики. Для интенсификации практического использования возобновляемых энергоресурсов в этих странах законодательно устанавливаются различные льготы для производителей «зеленой» энергии. Однако решающий успех возобновляемой энергетики определяется в конечном счете ее эффективностью в сравнении с другими более традиционными на сегодня энергоустановками топливной энергетики. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливноэнергетических ресурсов уже сегодня определяют техникоэкономические преимущества электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс.



1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ (ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения. Характерной особенностью ВИЭ является их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время - в пределах срока жизни одного поколения людей.

Генеральной Ассамблеей ООН в соответствии с резолюцией 33/148 (1978г.) введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», в которое включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия.

Чаще всего к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

-механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

-тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

-химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Если использовать понятие качества энергии - коэффициент полезного действия, определяющий долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу, то ВИЭ можно классифицировать следующим образом: возобновляемые источники механической энергии характеризуются высоким качеством и используются в основном для производства электроэнергии. Так, качество гидроэнергии характеризуется значением 0,6…0,7; ветровой - 0,3…0,4. Качество тепловых и лучистых ВИЭ не превышает 0,3…0,35. Еще ниже показатель качества солнечного излучения, используемого для фотоэлектрического преобразования, - 0,15…0,3. Качество энергии биотоплива также относительно низкое и, как правило, не превышает 0,3.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Основными преимуществами ВИЭ по сравнению с энергоисточниками на органическом топливе являются практическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных веществ в окружающую среду. Однако они, как правило, более капиталоемки, и их доля в общем энергопроизводстве пока невелика (за исключением гидроэлектростанций). Согласно большинству прогнозов, эта доля останется умеренной и в ближайшие годы. Вместе с тем во многих странах мира возрастает интерес к разработке и внедрению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, ВИЭ, уступая традиционным энергоисточникам при крупномасштабном производстве энергии, уже в настоящее время при определенных условиях эффективны в малых автономных энергосистемах, являясь более экономичными (по сравнению с энергоисточниками, использующими дорогое привозное органическое топливо) и экологически чистыми.

Во-вторых, применение даже более дорогих, по сравнению с традиционными энергоисточниками, ВИЭ может оказаться целесообразным по другим, неэкономическим (экологическим или социальным) критериям. В частности, применение ВИЭ в малых автономных энергосистемах или у отдельных потребителей может существенно повысить качество жизни населения.

В-третьих, в более отдаленной перспективе роль ВИЭ может существенно возрасти и в глобальном масштабе. В ряде стран и международных организаций проводятся исследования долгосрочных перспектив развития энергетики мира и его регионов. Интерес к этой проблеме обусловлен определяющей ролью энергетики в обеспечении экономического роста, ее существенным и все возрастающим негативным воздействием на окружающую среду, а также ограниченностью запасов топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим, в будущем неизбежна кардинальная перестройка структуры энергетики с переходом к использованию экологически чистых и возобновляемых источников энергии. Мировым сообществом признана необходимость перехода к устойчивому развитию, предполагающему поиск стратегии, обеспечивающей, с одной стороны - экономический рост и повышение уровня жизни людей, особенно в развивающихся странах, с другой - снижение негативного влияния деятельности человека на окружающую среду до безопасного предела, позволяющего избежать в долгосрочной перспективе катастрофических последствий. В переходе к устойчивому развитию важная роль будет принадлежать новым энергетическим технологиям и источникам энергии, в том числе ВИЭ.

К основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.

Вклад нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс в перспективе оценивается от 1…2 % до 10 %, хотя уже сегодня есть страны, где доля этих источников превышает половину национального энергетического баланса. Доля возобновляемых источников энергии в топливо-энергетическом комплексе разных стран мира постоянно возрастает. Это касается как развитых стран (США, Германия, Япония, Франция, Италия и др.), так и, особенно, развивающихся. Например, в 2000 г. доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии составила: Норвегия -99,7 %, Исландия - 99,9 %, Новая Зеландия - 72 %, Австрия - 72,3 %, Канада - 60,5 %, Швеция - 57,1 %, Швейцария - 57,2 %, Финляндия -33,3 %, Португалия - 30,3 %. Последнее десятилетие прошлого века для мира в целом характеризовалось неуклонным ростом доли возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе большинства стран мира. Например, Великобритания - с 2,1 % до 2,7 %; Германия - с 3,7 % до 6,3 %; Франция - с 13,3 % до 14,6 %; Италия - с 16,4 % до 18,9 % и т. д.

В предвидении серьезных экологических последствий во многих развитых странах разработана экономическая стратегия, распространяющаяся не только на энергетику, но и на другие отрасли производства и потребления ресурсов, которые могут нанести ущерб окружающей среде. Эта стратегия предусматривает ведущую роль государства в решении экологических проблем. Примером стимулирования развития энергетики на возобновляемых источниках является германский «Закон

о приоритетности использования возобновляемых источников энергии». Резкое увеличение масштабов освоения ресурсов возобновляемых источников энергии в конце 20-го века было обеспечено в разных странах мира, особенно на начальных этапах их освоения, с помощью Государственных программ поддержки этой отрасли энергетики (Германия, Япония, США, Индия и т. д.)

солнечный биотопливо ветроэлектростанция геотермальный



2. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Так как ветер - это поток воздуха, распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может рассматриваться в качестве источника энергии. Кинетическая энергия единицы воздушной массы пропорциональная квадрату скорости ветра, а удельная мощность, переносимая ветром через единицу площади, пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому главной характеристикой ветра как источника энергии является его скорость.

Неравномерность распределения солнечного излучения по всему земному шару, различие в течение дня и ночи и различные физические характеристики морской воды и суши приводят к неоднородности атмосферной температуры и давления, что приводит к появлению ветра. Более или менее широкомасштабная и постоянная циркуляция воздуха, вызываемая разницей в температурах, происходит между экваториальными регионами и более высокими широтами. Эта разница вызывает движение воздуха в верхних слоях атмосферы от экватора к северу и югу, а в нижних - в обратном направлении. Действующая на эти потоки сила Кориолиса, отклоняет верхний поток к востоку, а нижний к западу, вызывая пассаты. Северо-восточные и юго-восточные пассаты являются одними из самых постоянных ветров на Земле со средней скоростью от 8 до 14 м/с. Скорость ветра имеет тенденцию к росту по мере приближения к южным широтам вплоть до 60-й параллели.

Существует так же более или менее постоянные ветра местного масштаба. Вблизи морского или океанского побережья можно наблюдать бризы, которые в дневное время дуют с моря на сушу, а ночью наоборот. Муссоны также являются постоянными ветрами, меняющими свое направление дважды в год. Они возникают из-за сезонных температурных различий между сушей и океаном. Более или менее постоянные ветра с достаточно большими скоростями существуют в горных областях на гребнях, в ущельях и теснинах. Однако, в общем и целом ветер имеет непостоянную природу, что следует принимать во внимание разрабатывая планы по использованию ветра в качестве энергоисточника.

2.1 Ветроэлектростанции и их основные характеристики

Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического использования природных возобновляемых энергоресурсов. Суммарная установленная мощность крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире оценивается сегодня в 44000 МВт [1]. Единичная мощность наиболее крупных ветряных установок превышает 1 МВт. Во многих странах появилась даже новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и т. д. В частности, Германия планирует к 2030 году производить при помощи ветра до 30 % всей электроэнергии страны. Достаточно широкое распространение ветроэнергетических установок объясняется их относительно невысокими удельными капиталовложениями по сравнению с другими возобновляемыми энергоисточниками.

В России к началу нынешнего века использовалось около двух с половиной тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года ветряные мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Однако интерес к ветроэнергетике не исчезал и, иногда, предпринимались попытки использовать энергию ветра на научной и государственной основе. В 1931 году в районе Ялты была построена крупнейшая для своего времени ветроустановка на 100 кВт. В СССР разработкой ВЭУ небольшой мощности занималось НПО «Ветроэн» с производственными мощностями в г. Астрахани и г. Фрунзе.

В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. Созданы отечественные образцы ВЭУ мощностью до 100 кВт, например ВЭУ «Радуга» [2]. Однако недостаточный объем финансирования научных и опытно-конструкторских разработок не способен обеспечить не только развитие, но и поддержку научно-технического уровня, достигнутого в данной сфере.

Принцип действия всех ветродвигателей заключается во вращении ветроколеса с лопастями под напором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.

По принципу действия ветродвигатели могут быть разделены на две группы: двигатели, у которых вращающий момент образуется в результате разности сил лобового давления потока воздуха на лопасти рабочего колеса относительно оси его вращения, и ветроустановки, вращающиеся под действием аэродинамической подъемной силы.

К первой группе относятся ветродвигатели карусельного, роторного и барабанного типов. Благодаря простейшей конфигурации рабочего ветроколеса они имеют невысокую стоимость и весьма неприхотливы в эксплуатации. Однако широкого распространения эти ветродвигатели не получили из-за малого коэффициента использования энергии ветра и тихоходности. Расчеты показывают, что наибольшую мощность двигатель развивает, когда рабочая плоскость, воспринимающая действие потока воздуха, движется со скоростью, равной 1/3 скорости ветра.

Основным типом ветродвигателя в настоящее время является двигатель крыльчатой конструкции, в котором вращающий момент создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях рабочего ветроколеса. В большинстве стран выпускают и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Они отличаются большими коэффициентами использования энергии ветра и значительно большей быстроходностью.

По конструктивному исполнению ветродвигатели делятся на две группы:

1) ветродвигатели с горизонтальной осью вращения;

2) ветродвигатели с вертикальной осью вращения.

Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения наиболее эффективны, когда поток воздуха перпендикулярен плоскости вращения лопастей. Для обеспечения этого условия в составе ВЭУ требуется устройство автоматического поворота оси вращения. Обычно эту роль выполняет крыло-стабилизатор или соответствующая система ориентации ветродвигателя.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра без изменения своего направления. Учитывая подавляющее распространение крыльчатых трехлопастных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения, далее рассматриваются ветроэлектростанции с ветродвигателем указанной конструкции.

Для электроснабжения небольших, рассредоточенных потребителей требуются автономные ветроэлектрические установки относительно малой мощности. Традиционная компоновка таких ветряков предусматривает использование крыльчатого ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Распространенным профилем лопастей в настоящее время являются профили типа NACA 4415, NACA 4418, NFL 416, обеспечивающие быстроходность Z = 6…9.

Изменчивость энергии ветра требует в составе ветроэлектростанции буферное устройство, в качестве которого обычно используется аккумуляторная батарея. Поскольку аккумуляторная батарея имеет напряжение кратное 12 В, то генератор ВЭУ должен выполняться на соответствующее напряжение постоянного тока. Современным решением конструкции генератора ветроэлектростанции малой мощности является безредукторный многополюсный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводниковым выпрямителем выходного напряжения якорной обмотки. Для стабилизации генерируемого напряжения и обеспечения оптимального режима зарядки аккумуляторных батарей предусматривается регулятор напряжения.

Получение переменного напряжения стандартных параметров осуществляется с помощью автономного инвертора, содержащего повышающий трансформатор.

Использование в современных конструкциях ВЭС быстроходных ветродвигателей позволяет исключить из состава ветроагрегата повышающий редуктор и улучшить тем самым массо-габаритные, стоимостные и эксплуатационные характеристики энергоустановки.

Частота вращения ветроколеса в номинальном расчетном режиме достигает сотен оборотов в минуту, что позволяет использовать безредукторные генераторы. Чем больше число лопастей рабочего колеса, их ширина и угол поворота лопастей относительно плоскости вращения, тем при прочих равных условиях, быстроходность двигателя ниже.

Основными параметрами рабочей характеристики ветродвигателя, при постоянной скорости ветра, являются номинальный относительный моментальной относительной частоте вращения. С уменьшением скорости ветра максимумы кривых уменьшаются, и все кривые смещаются в сторону уменьшения частоты вращения. Режим работы ветроэлектростанции под нагрузкой графически определяется наложением на характеристики ветродвигателя аналогичных характеристик генератора с его электрической нагрузкой. Принципиально возможна работа ветрогенератора в двух режимах: с постоянной частотой вращения и с переменной частотой. Работа энергоблока с переменной частотой вращения более эффективна, поскольку может обеспечить максимальный объём мощности при любой скорости ветра.

Этот режим графически соответствует характеристике генератора, пересекающей зависимости в точках близких к их максимумам.

Режим с постоянными оборотами не может обеспечить столь же эффективную работу ветроэлектростанции при переменной скорости ветра. Это обстоятельство определяет наличие инвертора в составе энергетического оборудования современных ВЭС, работающих, как правило, в режиме переменных оборотов.

Конструкция собственно ветродвигателя сегодня, особенно для ВЭС небольшой мощности, либо вообще не предусматривает устройств регулирования частоты вращения, либо они предусматривают только ограничение развиваемой мощности при превышении скорости ветра расчетных номинальных значений. Вышесказанное не распространяется на системы аварийного вывода ветроколеса из-под ветра, достигшего предельных буревых значений.

В качестве генераторов в ветроэлектростанциях применяются как синхронные, так и асинхронные машины. В большинстве современных конструкций ВЭС небольшой мощности используются синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Для повышения прочности вращающихся частей генератора и обеспечения его энергоэффективности при малых оборотах приводного ветродвигателя находят применение обращенные конструкции электрических машин: корпус с магнитами вращается вокруг неподвижного якоря. Обычно частота вращения агрегатов безредукторных ВЭС находится в диапазоне до нескольких сотен оборотов в минуту. Анализ режимов работы распространенных типов ВЭС мощностью 5…30 кВт позволил установить, что диапазон изменения частоты вращения ветродвигателя изменяется в 3 и более раз, а развиваемая им мощность в 30…40 раз. Эти условия накладывают определенные требования к выбору параметров электромашинного генератора. Известно, что частота вращения автономного генератора является фактором, определяющим его мощность и массо-габаритные показатели. С увеличением частоты вращения происходит уменьшение относительного веса и габаритов, что удешевляет энергоустановку. Так же известно, что в электрических машинах происходит перераспределение потерь, определяющих их тепловой режим. При повышении частоты вращения потери в меди сокращаются, а в стали возрастают. Одновременно усиливается эффективность охлаждения, особенно для генераторов с встроенным вентилятором на общем валу или при естественном охлаждении ветрогенератора.

Указанные особенности режимов работы ВЭС определяют задачу оптимального выбора габаритной мощности генератора, работающего в широком диапазоне частот вращения. Очевидным условием для определения мощности генератора является постоянство теплового режима статорной обмотки при изменении частоты его вращения и, соответственно, снимаемой мощности. Ротор генератора с увеличением частоты обычно не перегревается, поскольку намагничивающая сила не возрастает, а интенсивность охлаждения увеличивается.

Таким образом, имеется возможность выбирать габаритную мощность и соответствующую частоту вращения генератора так, чтобы с увеличением скорости ветра (и мощности ветродвигателя) генератор обеспечивал большую мощность по сравнению со своими номинальными параметрами. Проведенные исследования показывают возможность выбора синхронного генератора на номинальную частоту вращения в два раза меньшую частоты, соответствующей расчетному режиму ветродвигателя, и на номинальную мощность до 70 % меньшую расчетного номинального режима ВЭС. За счет этого массо-габаритные показатели аэрогенератора могут быть снижены на величину до 10…15 %.



3. ГИДРОЭНЕРГИЯ

Гидроэнергетические ресурсы - это часть водных ресурсов территории, которая может быть использована для производства энергии. Гидравлическая энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на направление движения потока воды, которая определяется разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка реки. Следовательно, гидроэнергетические установки осуществляют энергетическое преобразование либо напора воды, либо водности при некоторой минимальной скорости течения. Для определения полезной мощности, производимой гидростанцией, учитывают результирующий коэффициент полезного действия установки, состоящей из гидротурбины, генератора, системы стабилизации напряжения.

Как для ветроэнергетики, гидроэнергетический потенциал водотоков региона подразделяется на теоретический или валовый, технический и экономический. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Однако это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и вообще природы: земли выше плотин подтоплялись, ниже - падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т.д. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв.

Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность которой ранее зависила только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.

3.1 Микрогидроэлектростанции

Существенное место по запасам и масштабам использования занимает энергия потоков воды. Объясняется это высокой энергетической плотностью потока воды и относительной временной стабильностью режима стока большинства рек. Большая плотность воды по сравнению с воздухом (в 846 раз) определяет, при прочих равных условиях, соответствующее уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей рабочего колеса гидротурбины по сравнению с ветроколесом. Стабильность потока воды и широкие возможности по регулированию его энергии позволяют использовать более простые и дешевые системы генерирования и стабилизации параметров производимой электроэнергии. В итоге, гидроэлектростанции производят более дешевую электроэнергию по сравнению с ветроэлектростанциями, а также с энергоустановками, использующими другие виды возобновляемых энергоресурсов. Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагрегатов.

В настоящее время принята следующая классификация: станции мощностью до 100 кВт - микроГЭС, от 100 до 1000 кВт - миниГЭС, от 1000 до 10000 кВт - малые ГЭС и свыше 10000 кВт - крупные гидроэлектростанции. Конструкция и принципы построения этих классов энергоустановок могут существенно отличаться. Станции класса «мини» и более мощные обычно используют в своей конструкции плотину, обеспечивающую запас воды в водохранилище и необходимый напор воды на гидротурбине.

МикроГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Они могут строиться, как и более мощные станции, с использованием плотины, могут быть деривационного типа с использованием напорного трубопровода или канала.

Наконец, микроГЭС могут устанавливаться в речной поток без всяких гидротехнических сооружений - свободопоточные микроГЭС. Исторически, первые гидроэлектростанции относились к классу микроГЭС, и время их появления совпадает с успехами в промышленном освоении электромашинных генераторов. Такие простейшие, часто полукустарные установки имели широкое распространение, особенно в сельской местности. В частности, в СССР в 1937 году доля гидроэнергии в сельскохозяйственном электроснабжении достигала 11 %.

До войны малая гидроэнергетика развивалась у нас главным образом путем индивидуального строительства электростанций из элементов, выпускавшегося в то время специального оборудования и использования подходящих узлов и деталей от автомобилей, сельскохозяйственной техники и т. д. Гидротурбины выпускались на заводах им. Калинина (г. Москва), им. Сталина (г. Бобруйск), Штампметиз (г. Ленинград), на Благовещенском заводе и некоторых других заводах местной промышленности. Зачастую использовались самодельные, в том числе деревянные и деревометаллические конструкции гидротурбин. В качестве редукторов использовались задние мосты автомобилей, а в качестве гидрогенераторов - серийные генераторы постоянного и переменного тока [4]. Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т. д.

В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиально-осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и наклонной осями вращения и т. д. [4,5]. Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидротехнических сооружений - плотин. Поэтому их турбины устанавливаются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в основном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы. Достоинством активных турбин является их максимальная простота и относительная жесткость механических характеристик. Тем не менее, низкая частота вращения и малый коэффициент полезного действия активных гидродвигателей ограничивают их применение в гидроэнергетике.

Мощность гидротурбины с напорным трубопроводом не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диаметр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точкой определяют расчетную мощность станции. Трубопровод микроГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость существенно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность применения микроГЭС, прежде всего в горных районах с большими уклонами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а также простейшие сооружения типа деривационных каналов, во многих случаях, позволяют уменьшить длину, и соответственно, и стоимость напорного трубопровода.

Опыт разработки и эксплуатации микроГЭС доказал, что наиболее перспективным вариантом построения станций является бесплотинная конструкция с автобалластной системой стабилизации напряжения. Именно по этому принципу выполнено большинство автономных систем электроснабжения, которые успешно эксплуатируются во многих странах мира: США, Японии, Китае, Дании, Швеции и т. д.

Также, следует отметить, что микроГЭС автобалластного типа могут выполняться в различных модификациях.

В настоящее время основные усилия разработчиков микроГЭС направлены на совершенствование систем стабилизации выходного напряжения энергоустановки, что позволяет использовать максимально простое и дешевое гидротехническое оборудование. В результате стоимость микроГЭС снижается при одновременном повышении её надежности.



4. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Солнечная энергия, как и ветровая, присутствует в любой точке поверхности Земли. Количество энергии, посылаемое Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км2, составляет в летний безоблачный день 7…9 млн. кВт. Эта величина больше, чем мощность Красноярской ГЭС.

Лучистая энергия, проходя через атмосферу, рассеивается и поглощается. Достигая земной поверхности, солнечная радиация частично отражается. Неотраженная часть радиации поглощается, превращаясь в тепло. Нагретая поверхность, в свою очередь, становится источником собственного излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, нагревающаяся за счет теплообмена с земной поверхностью, также является источником излучения, направленного к земной поверхности и в мировое пространство.

Рассеянная солнечная радиация поступает на поверхность земли от всех точек небесного свода за исключением диска солнца и околосолнечной зоны радиусом 50. Рассеянное излучение обусловлено молекулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристаллами облаков, твердыми частицами, взвешенными в воздухе.

Интенсивность радиации удобно измерять в Ваттах на 1 м2, а ее энергию за определенное время в киловатт-часах на 1 м2 - кВт?ч/м2. На гелиоэнергетические ресурсы территории оказывают непосредственное влияние географические и климатические характеристики: продолжительность светового дня; средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния; средние месячные и годовые характеристики прозрачности атмосферы и ряд других.

Оценка потенциала солнечной энергетики основывается на многолетних данных актинометрических наблюдений на возможно большем количестве станций, распределенных достаточно равномерно по территории.

Потенциальные возможности прихода солнечной радиации определяются географической широтой места. Климатические характеристики района, косвенно характеризуемые продолжительностью солнечного сияния, вносят существенные коррективы в возможность эффективного использования энергии солнца.

При оценке потенциальных гелиоэнергоресурсов важно учитывать следующие климатические характеристики:

1) средние многолетние месячные и годовые суммы суммарной радиации Q;

2) процентное соотношение прямой солнечной радиации в общей сумме Q. Прямая радиация, поступающая на приёмную поверхность солнечной установки, может преобразовываться в тепловую или электрическую энергию;

3) экстремальные месячные суммы Q;

4) среднеквадратичное отклонение месячных и годовых сумм Q;

5) средние многолетние суточные суммы Q по месяцам;

6) экстремальные суточные суммы Q по месяцам при реальных

условиях облачности;

7) среднеквадратичное отклонение суточных сумм Q;

8) средние многолетние суммы Q за часовые интервалы;

9) средние многолетние значения интенсивности Q по срокам;

10) коэффициент вариации (%) суточных и месячных сумм Q;

11) продолжительность светового дня, когда могут работать гелиоустановки;

12) средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния;

13) повторяемость непрерывной продолжительности солнечного сияния более 6 ч;

14) отношение фактической продолжительности солнечного сияния к возможной;

15) средняя продолжительность солнечного сияния за день с солнцем;

16) число дней без солнца;

17) средние многолетние месячные и годовые значения коэффициента прозрачности атмосферы;

18) среднее многолетнее месячное и годовое количество общей и нижней облачности;

19) средняя месячная многолетняя повторяемость ясного (0…2 балла), полуясного (3…7 баллов), пасмурного (8…10 баллов) неба по общей и нижней облачности.

Для измерения прямой солнечной радиации на актинометрических станциях используются приборы-актинометры. Рассеянная и отраженная радиация измеряется универсальным пиранометром. Радиационный баланс - балансометром.

Приход солнечной радиации к земной поверхности зависит от

многих факторов:

1) от широты места;

2) от времени года и суток;

3) от прозрачности атмосферы;

4) от облачности;

5) от характера подстилающей поверхности;

6) от высоты места над уровнем моря;

7) от закрытости горизонта.

Последние два фактора оказывают существенное влияние на поступающую солнечную радиацию в условиях изрезанного рельефа. Количество радиации, получаемое земной поверхностью за сутки, зависит, прежде всего, от широты и времени года. На каждой широте время года определяет продолжительность дневной части суток (светового дня) и, следовательно, продолжительность притока радиации.

С увеличением широты продолжительность светового дня зимой уменьшается, а летом увеличивается. Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не только от продолжительности дня, но и от высоты солнца. Высота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и суток. В целом, солнечная энергия характеризуется максимальной простотой использования и повсеместным распространением. Эти обстоятельства определяют гелиоэнергетику как одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики.

4.1 Классификация солнечных электростанций и особенности их применения в децентрализованном электроснабжении

Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух типов: термодинамические и фотоэлектрические. Термодинамические СЭС основаны на нагревании теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую. Фотоэлектрические станции используют эффект прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию, открытый в 1839 году французским физиком Беккерелем. Фотоэлементы в большинстве случаев представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды.

При поглощении света полупроводниковой структурой энергия фотонов передается электронам материала, что вызывает появление свободных носителей заряда. Носители заряда создают потенциальный градиент в области р-n перехода, под воздействием которого возникает электрический ток через электроприёмники. Типичная величина разности потенциалов - 0,5 В, плотность фототока - 200 А/м2 при удельной мощности солнечного излучения 1 кВт/м2. Концепция термодинамических СЭС была разработана в 50-х годах прошлого века. Практическая реализация таких электростанций получила распространение в 70-80 годах. Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя может быть осуществлено по трём принципам: применение рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, построение солнечного коллектора с центральной трубой.

Солнечные электростанции с рассредоточенными коллекторами имеют на сегодняшний день наибольшее распространение. Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуществляется множеством сравнительно небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражательную поверхность параболической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приемное устройство, в котором солнечная энергия передаётся жидкости-теплоносителю. Нагретая жидкость от всех коллекторов консолидируется, и ее тепловая энергия используется для получения механической энергии в соответствующих тепловых двигателях. В качестве теплоносителя может использоваться вода, которая под воздействием концентрированного солнечного излучения преобразуется в пар, используемый в паровой турбине. Часто теплоносителями в солнечном контуре являются различные химические вещества с высокой теплоемкостью и температурой кипения (например, натрий, диссоциированный аммиак, углеводородный оксид дифениля и др.). В последнем случае в состав СЭС входит теплообменник, предназначенный для получения водяного пара во вторичном контуре. Далее пар высокого давления поступает на лопатки турбины, которая вращает турбогенератор. Использованный пар после турбины концентрируется и возвращается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар. В течение летних месяцев СЭС, построенная южнее 45о северной широты, может работать по 10-12 часов в день с номинальной мощностью. Однако темное время суток и сезонные колебания продолжительности светового дня определяют необходимость дублирующих энергетических установок на органическом топливе. Часто, для согласования мощностей СЭС и потребителей электроэнергии, в состав станции вводят накопители тепловой энергии, позволяющие эффективно покрывать энергопотребление в часы максимальных нагрузок. СЭС с параболическими зеркалами на сегодня представляют самый распространенный тип электростанций, мощность которых достигает 80 МВт с ближайшей перспективой строительства станций на мощности 160 и 320 МВт. В солнечных электростанциях башенного типа оптическая система представляет собой комплекс однотипных, автономно ориентируемых зеркал-гелиостатов. Приемник концентрированного солнечного излучения устанавливается на башне. Дальнейшие преобразования тепловой энергии в электрическую осуществляются аналогично энергопреобразованию на тепловых электростанциях. В эксплуатационно-техническом плане СЭС башенного типа менее зрелы, чем станции с рассредоточенными коллекторами. Однако в течение последних двадцати лет были построены экспериментальные станции во многих странах: США, Японии, Испании, Италии, Франции и др. Проводятся исследования процессов энергопреобразования во всех элементах СЭС, в том числе и перспективных типов тепловых машин, таких как двигатели Стерлинга, Брайтона.

Разновидностью СЭС термодинамического типа является электростанция в виде «солнечной трубы», проект которой был разработан в начале 80-х годов XX века. Идея такой электростанции состоит в нагревании большого объема воздуха, находящегося под солнечным коллектором большой площади. Нагретый воздух поднимается и засасывается в трубу, где создается устойчивый воздушный поток, вращающий аэрогенератор.

Для получения приемлемых технико-экономических характеристик такой СЭС «солнечная труба» должна быть очень больших размеров. Так, опытный образец станции с номинальной мощностью 50 кВт, построенный и успешно проработавший 7 лет в Испании, имел диаметр крыши-коллектора 240 м и высоту трубы 197 м. Следует отметить, что подобные СЭС хорошо сочетаются с сельскохозяйственным производством - например с теплицами, что позволяет повышать их экономические показатели. Основными путями совершенствования термодинамических СЭС сегодня являются:

- увеличение единичной мощности станций;

- улучшение их экологических характеристик, достигаемых путем замены дублирующих ТЭС накопителями тепловой энергии;

- повышение энергоэффективности основных элементов солнечных электростанций, что в конечном итоге определяет снижение стоимости производимой ими электроэнергии.

В целом СЭС термодинамического типа целесообразны для применения в «большой» системной энергетике. Такие станции производят достаточно дешевую электроэнергию (8…10 центов за кВт?ч), сопоставимую по цене с электроэнергией экологически чистых ТЭС. Фотоэлектрическая станция, кроме собственно фотопреобразователя - солнечной панели, содержит аккумуляторную батарею с зарядным устройством, инвертор для преобразования постоянного напряжения в переменное стандартной частоты и другие вспомогательные элементы.

Собственно солнечные панели представляют собой группы из нескольких фотоэлектрических модулей, соединенных последовательно параллельно для получения требуемых мощности и напряжения. Модуль, в свою очередь, объединяет несколько солнечных ячеек - фотоэлементов. Обычно мощность ячейки около 1 Вт, размер - несколько квадратных миллиметров.

Большинство фотоэлементов представляет собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. При облучении полупроводниковой структуры внешним источником света, энергия полученных фотонов передается электронам, что вызывает появление свободных носителей электрического заряда, разделенных p-n переходом. Носители заряда: электроны и дырки создают потенциальный градиент в области перехода и создают ток при наличии внешней электрической цепи. Энергетические характеристики фотоэлементов, главным образом, определяются следующими факторами: интенсивностью солнечного освещения, величиной нагрузки, рабочей температурой. При снижении интенсивности солнечного излучения вольтамперная характеристика фотоэлемента сдвигается вниз, что определяет значительное снижение тока короткого замыкания. Напряжение холостого хода при этом уменьшается незначительно. Величиной, оказывающей влияние на интенсивность облучения фотоэлектрической панели, является угол падения солнечных лучей на ее поверхность. Если обозначить через Q угол падения лучей, отложенный от нормали приемной поверхности панели, то зависимость тока нагрузки, вызываемого солнечной батареей, от величины Q имеет косинусоидальный характер I = Io·cosQ, где Io - максимальный ток панели, облучаемой перпендикулярно падающими световыми лучами. Указанная зависимость, называемая косинусом Kelly, дает удовлетворительный результат для углов Q в диапазоне от 0 до 50о. С дальнейшим увеличением Q выходные параметры фотопреобразователя заметно отклоняются от косинусоидальной зависимости и при Q = 85о ячейка прекращает генерировать электроэнергию.

Следует отметить, что коэффициент полезного действия фотопреобразователя мало зависит от интенсивности солнечной радиации в рабочем диапазоне.

Для солнечных панелей большой площади, состоящих из множества последовательно-параллельно соединенных ячеек, следует учитывать теневой эффект, возникающий при частичном затемнении панели. Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она из источника мощности превращается в потребителя. Из-за последовательной связи с освещенными ячейками в цепи протекает ток, разогревающий затененную ячейку мощностью потерь, выделяющейся на ее внутреннем сопротивлении.

Таким образом, происходит снижение электрической мощности, снимаемой с панели. Солнечные элементы на основе кремния имеют КПД 12…15 %. КПД лабораторных образцов достигает 23 %. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30 %. Каскадное соединение модульных фотопреобразователей позволяет построить фотоэлектрические станции (ФЭС) на мощности до сотен кВт. Общая площадь солнечной панели, требуемой для получения необходимой мощности энергоустановки определяется исходя из приведенных выше значений КПД фотопреобразования и удельного уровня электрической освещенности поверхности солнечной батареи, которая зависит от времени суток, широты местности, метеоусловий, расположения поверхности фотопреобразователя относительно солнечного излучения и др. Исходными данными для определения экономической эффективности использования солнечных электростанций (СЭС) являются:

- среднемесячная дневная энергетическая освещенность Е (кВт/м2);

- средние годовые суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность Егод, кВт?ч/м2;

Основу любой СЭС составляют фотоэлектрические модули, средняя удельная стоимость которых составляет 100…140 руб/Вт.

Для производства электрической энергии переменного тока стандартных параметров, кроме собственно фотоэлектрического преобразователя, необходим полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения, накопитель электроэнергии - аккумуляторная батарея, согласующие устройства, коммутационная аппаратура и др. Удельная стоимость полнокомплектной СЭС соответственно возрастает до Куст.уд = 240000…300000 руб/кВт установленной мощности. Для определения требуемой мощности фотопреобразователей целесообразно использовать данные не о полной установленной мощности потребителей электроэнергии объекта электроснабжения Р, а о среднесуточном потреблении электроэнергии W.

Эксплуатация автономной ФЭС в режиме многолетней непрерывной работы предполагает отсутствие периодической подзарядки АБ от внешнего источника. В этом случае солнечная батарея - единственный источник энергии в системе, который при минимуме ее пиковой мощности должен полностью обеспечить электроэнергией автономный объект.

Для определения мощности СЭС необходимо рассчитать общее количество электроэнергии, которое может выработать один солнечный модуль за расчетный промежуток времени. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна Емес. В случае круглогодичного использования - это декабрь.

Определив значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т. е., условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

Следует отметить, что себестоимость электроэнергии мало зависит от мощности станции и определяется в основном интенсивностью солнечной радиации.



5. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

В недрах Земли сосредоточено колоссальное количество тепловой энергии. Однако технологические трудности и высокие затраты не позволяют сегодня рассматривать эти энергоресурсы в качестве реального энергоисточника.

Более доступны для использования гидрогеотермальные ресурсы: термальные воды, пароводяные смеси и сухой пар. Освоение гидрогеотермальной энергии весьма актуально и интенсивно осуществляется в более чем 70 странах.

По основному энергетическому показателю - температуре термальные воды подразделяются на высокопотенциальные (100 оС), среднепотенциальные (70…100 оС) и низкопотенциальные(70 оС). Распределение доступной геотермальной энергии на континентах весьма неравномерно и обусловлено в основном структурно-тектоническими условиями конкретных районов.

Очевидно, большей энергетической ценностью обладают высокопотенциальные воды рифтовых и вулканических районов. К сожалению, доля этих высокотермальных вод в общем гидрогеотермическом балансе для России не превышает 5…7 %. Основные запасы гидротермальных ресурсов связаны с пластовыми артезианскими бассейнами. Развитие технологий геотермальной энергетики приводит к постепенному расширению электроэнергетических и теплотехнических возможностей преобразования термальных вод в сторону понижения температуры: для производства электроэнергии до 60…70оС и тепла до 5…10оС. Важными оценочными элементами гидрогеотермальных месторождений являются: ресурсный показатель; производительность скважин и водозаборов; напор на устье скважин; глубина залегания водоносных горизонтов; степень минерализации; солевой и газовый состав термальных вод.

Следует отметить существенную зависимость эффективности использования гидрогеотермальных ресурсов от их геохимических свойств, определяющих срок службы трубопроводного, теплообменного и другого оборудования. По степени минерализации подземные виды разделяются на пресные, содержащие менее 0,1 г/л примесей, мезопресные 0,1…0,5 г/л и апопресные - 0,5…1 г/л, соленые (солоноватые 1…3 г/л, соленые 3…10 г/л и крепкосоленые 10…36 г/л) и рассолы (слабые 36…150 г/л, крепкие 150…320 г/л, весьма крепкие 320…500 г/л и предельно насыщенные - > 500 г/л).

Важной составляющей термальных вод являются водорастворенные газы, влияющие на механико-энергетические и другие свойства термальных вод. По газовому фактору (л/л) выделяют воды с очень низким - менее 0,1, низким (0,1…0,5), средним (0,5…1), высоким (1…5) и весьма высоким - более 5 газосодержанием.

Высокая газонасыщенность вод способствует снижению порога выделения парогазовой смеси, облегчению теплоносителя за счет образования водногазовой смеси. Эти эффекты увеличивают геомеханическую энергию и производительность скважин. При высокой газонасыщенности углеводородными газами и сам газ может иметь определенную энергетическую ценность.

Агрессивные свойства воде обычно придают СО2 и H2S, а также О2, попадающий в воду чаще всего при выходе на земную поверхность, и кислотные газы вулканических терм. Крупнейшими запасами термальных вод, достигающими 70 % общих российских запасов, обладает Западно-Сибирский нефтегазоводоносный мегабассейн. До 40…50 % геотермальных ресурсов этого мегабассейна сосредоточены на территории Томской области. Термальные воды находятся здесь на доступной глубине 1…4 км и обладают колоссальным энергетическим потенциалом. По своим энергетическим характеристикам геотермальные воды

Томской области относятся к низкопотенциальным и среднепотенциальным и могут применяться не только для теплофикации объектов, но и для производства электроэнергии.

Наибольшим геотермальным потенциалом обладает центральная часть Томской области, на которой расположены многие населенные пункты: Колпашево, Белый Яр, Подгорное, Парабель, Каргасок, Чажемто, Инкино, Нарым, Большая Грива, Назино, Лукашкин Яр и др. На этой территории пробурено значительное количество нефтепоисковых скважин, выводивших на поверхность термальные воды с температурой на устье до 66 оС.

Наличие значительных запасов гидрогеотермических ресурсов, большого количества действующих или временно законсервированных водозаборных сооружений, мощной научно-методической базы и богатого практического опыта, а также высокого спроса на энергию позволяет незамедлительно приступать к широкому использованию геотермальной энергии в Томской области. Уже сегодня можно выбрать оптимальные технологии и обозначить первоочередные энергетические объекты, как, например, это показано на рис. 7. Энергоэффективность таких объектов следует ожидать достаточно высокой ввиду стабильности параметров энергоносителя, безопасности использования и практически неограниченных запасов термальных вод.