Основные принципы проектирования теплицы

Остекление.

Идеальная ориентация для остекления теплицы - строго на юг, хотя отклонение до 30° к западу или востоку вполне допустимо. Для получения максимального количества солнечного теплопоступления стекло должно быть наклонено под углом 50...60° к горизонту. Многие проектировщики в их проектной стратегии предпочитают вертикальное остекление или комбинацию вертикального и наклонного остекления.

Вертикальное остекление южной ориентации имеет преимущество перед наклонным остеклением, т.к. с ним проще защититься от протечек и от высоко стоящего летнего солнца, но его зимние характеристики на 10...30% хуже, чем у наклонного остекления при той же площади. Эффективность помещения, в котором скомбинированы вертикальное остекление и остекление крыши, выше, чем помещения, в котором остеклена лишь южная стена.

В районах с постоянным зимним снеговым покровом вертикальное остекление может оказаться более эффективным за счет высокой отражательной способности снега.

Аккумулирование тепла

Если глубина теплицы больше ее высоты, само пространство уловит излучение, если цвета поверхностей, на которые падает свет, приемлемы. Иными словами, поверхности теплоаккумулирующих материалов (термическая масса) должны быть темных тонов для поглощения по крайней мере 70% энергии падающего на них солнечного света. Чтобы дать некоторое понятие об относительном коэффициенте поглощения света поверхностями различных цветов следует сказать, что сажа имеет коэффициент поглощения около 95%, поверхность темно-синего цвета около 90% и поверхность темно-красного цвета приблизительно 86%. Материалы, не используемые для аккумулирования тепла должны быть светлых тонов для того, чтобы отражать свет на термическую массу, не расположенную на пути лучей прямого солнечного излучения.

Пол, северная стена, восточная и западная боковые стены - хорошее место для теплоаккумулирующей массы. В них должны быть применены материалы с высокой теплопроводностью: бетон, вода, кирпич. Пенобетон не приемлем в качестве теплоаккумулирующего материала, а бетон наиболее эффективен при толщине от 100 до 150 мм. При использовании пустотелых бетонных (цокольных) блоков все пустоты должны быть залиты цементным раствором.

Если каменный пол и массивные стены - единственные материалы, аккумулирующие тепло в помещении, 3 м2поверхности каменной кладки на 1 м2южного остекления - рекомендуемое соотношение. Если вода в контейнерах - единственная использующаяся теплоаккумулирующая среда, рекомендуемое отношение - 14 л воды на 1 м2остекления.

Увеличение массы стабилизирует внутренние температуры, делая помещение удобнее для людей и растений. Общая стратегия состоит в том, чтобы использовать от 100 до 150 мм неизолированной каменной стены в качестве северной стены теплицы. Стена остается неизолированной для того, чтобы теплота из теплицы могла проходить через нее во внутренние помещения дома.

Сохранение тепла. Использование подвижной наружной или внутренней изоляции.

Если теплица должна использоваться для выращивания растений или в качестве жилого помещения, то рекомендуется как минимум двойное остекление. В случае применения однослойного остекления потери теплоты в ночное время весьма велики, что делает помещение некомфортабельным для пребывания людей и растений. Подвижная теплоизоляция или система остекления с более высоким термическим сопротивлением значительно улучшат характеристику остекления.

Любой из этих методов увеличивает стоимость проекта, а очевидное неудобство подвижной изоляции заключается в том, что кто-то должен перемещать ее ежедневно, и некоторые проектировщики отказываются по этой причине ее использовать. С другой стороны, существует возможность управления теплоизоляцией автоматически с использованием электродвигателей и термостатов, и теплоизоляция может создавать закрытость, летнее затенение, повышать комфорт в холодные зимние ночи.

Распределение тепла

Для распределения нагретого воздуха из теплицы в другие помещения дома вентиляционные отверстия размещены в стене, разделяющей теплицу и остальные помещения дома. Теплота передается термосифонной циркуляцией воздуха. Нагретый воздух поднимается к потолку теплицы, проходит в смежное помещение через верхние вентиляционные отверстия, а прохладный воздух из смежного помещения всасывается в теплицу через нижние вентиляционные отверстия для нагревания и повторения цикла.

Если отверстия являются просто открытыми дверями между теплицей и домом высотой 2 м, то рекомендуемая минимальная площадь 0,08 м2 двери на 1 м2 остекления теплицы. Если используются отверстия в верхней и нижней части смежной стены с расстоянием между ними 2,4 м, то рекомендуемая минимальная площадь отверстий - 0,025 м2на 1 м2остекления теплицы.

Средства управления

Воздух в теплице может сильно перегреться если система вентиляции была спроектирована неправильно. Результат - мертвые растения и непригодное для проживания помещение. Было упомянуто, что перегрев наиболее вероятен в конце лета или ранней весной, когда солнце уже невысоко на небосводе, а температура наружного воздуха все еще высока в течение дня.

Вентиляционные проемы размещены в верхней части теплицы, где температура самая высокая, и в нижней ее части, где температура самая низкая, для создания эффекта «дымовой трубы». Электодвигатели, управляемые термостатом, могут быть установлены для открывания вентиляционных проемов автоматически, если никого не будет дома, чтобы открыть их.

Площадь этих вентиляционных проемов должна быть достаточно большой.

Площадь вентиляционных проемов зависит от:

· угла наклона стекла;

· расстояния между верхними и нижними вентиляционными проемами;

· допустимой внутренней температуры;

· мощности двигателя вентилятора в случае применения принудительной вентиляции.

· Рекомендуется иметь регулируемые в ручную или автоматически вентиляционные проемы площадью порядка 10-20% общей площади остекления.

4.3 Другие применения солнечного тепла

На протяжении столетий человек использовал тепловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем выпаривания ее из морской воды или сушки таких пищевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подобные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размножение в них бактерий и позволяет сохранить их в течение года.

Сушка на солнце происходит медленно, и это ограничивает производительность таких процессов, как получение соли, заготовка дров, каучука и т.п. Ускорение сушки позволяет повысить эффективность перечисленных процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предметов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физической лаборатории Индии. Было показано, что с помощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для получения сахара.

Солнечные кухни

Солнечное излучение также используется и для приготовления пищи. Один из вариантов конструкции солнечной печи показан на рис.4.6. Такая простая печь быстро нагревается и позволяет приготовить пищу за несколько часов. Затраты энергии на приготовление пищи (около 300 Вт-ч/кг) обычно не превышают количества энергии идущей на нагревание самой печи. Если печь защищена от ветра, равновесная температура устанавливается в ней в течение часа. Для более быстрого приготовления пищи и осуществления таких требующих высокой температуры процессов, как, например, жарение, солнечные печи снабжаются параболическими рефлекторами. Конструкции, подобные изображенным на рис.4.7., с диаметром зеркала около 1,5 м испытывали в различных частях земного шара. Эффективный коэффициент концентрации таких систем с краевым углом 30° (даже при плохо обработанной поверхности зеркала) достигает 500--1000. В тропических условиях мощность, получаемая в фокусе такого устройства, составляет 0,5-- 11,0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом для приготовления пищи диаметром около 15 см, весьма незначительна, но, тем не менее, несколько раз в течение часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца.[17]

4.4 Солнечные опреснительные установки

Во многих богатых солнцем районах земного шара люди испытывают недостаток пресной воды. И не удивительно, что издавна солнечную энергию здесь использовали для получения питьевой воды из загрязненных или соленых источников. Хорошо известна конструкция опреснителя, включаемая в аварийное снаряжение летчиков и моряков многих государств - плавающая пластмассовая установка.

Но в большинстве случаев это разнообразные стационарные устройства различной степени сложности и размеров.

На рис.4.8. показана одна из простейших систем подобного назначения. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность под дона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения. С повышением температуры движение молекул воды становится более интенсивным и часть из них испаряется. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируются, а образовавшиеся капли стекают по покрытию вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

Рис.4.8. Простой солнечный опреснитель

Для повышения эффективности системы необходимо, чтобы при конденсации на поверхности покрытия образовывалась водная пленка, так как при конденсации воды в виде капель значительная часть падающей на поверхность покрытия солнечной радиации отражается ими; даже при сравнительно больших, углах наклона поверхности, когда вода довольно быстро стекает, примерно половина всей поверхности покрытия занята каплями воды. На тщательно очищенной от следов жира стеклянной поверхности обычно образуется пленка воды, тогда как почти на всех, даже более чистых пластмассовых поверхностях сконденсированная вода выпадает в виде капель. На некоторых новых пластических материалах возможна пленочная конденсация воды, но такие материалы вследствие высокой стоимости (приближающейся к стоимости стекла) для рассматриваемых целей малопригодны.

Очевидно, что производительность такой солнечной опреснительной установки меняется в течение дня в соответствии с изменением интенсивности солнечной радиации Р.

При очень мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любой момент времени зависит только от величины Р.

При глубоком поддоне температура воды устанавливается лишь через несколько дней, и в дальнейшем питьевую воду можно получать непрерывно на протяжении суток. Для этого необходимо, чтобы количество воды в таком резервуаре во много раз превышало дневную производительность установки, например 100 кг/м2 при глубине около 10 см.

Глава 5 «Биоэнергетика»

5.1 Понятие биоэнергии

Биоэнергия была самой распространенной формой энергии до тех пор, пока человечество не начало использовать гидроэнергию и энергию невозобновляемых источников. Выбросы углекислого газа от сжигания биотоплива не изменяют содержания углекислого газа в атмосфере до тех пор, пока сжигаемое количество не превышает ежегодный прирост биомассы. Это происходит потому, что деревья и растения потребляют углекислый газ для своего роста.

Зеленые листья улавливают солнечное излучение в процессе фотосинтеза с помощью особого зеленого вещества - хлорофилла. В результате фотосинтеза из простых химических веществ - углекислого газа и воды - синтезируются органические вещества и выделяется кислород.

Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного процесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету. Фотосинтез - энергетическая основа биологических процессов. Энергия при фотосинтезе образуется в очень удобной для биологического использования форме - молекулярной, в виде богатых энергией химических связей в сахарах, белках, жирах, которые в любой момент могут быть использованы растениями для роста, а затем и съевшими эти растения животными или людьми. Именно благодаря фотосинтезу солнечная энергия может быть запасена на миллионы лет (при образовании нефти, газа, угля, торфа). Практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдаленный результат фотосинтетической деятельности растений.

Масштабы фотосинтетического преобразования солнечной энергии огромны. Общее потребление энергии в мировом масштабе составляет только 10% всей энергии, запасаемой за год благодаря фотосинтезу! Оберегая от вырубки леса - легкие нашей планеты, мы сохраняем и преумножаем результаты фотосинтетического труда миллиардов растений, а с ними - жизнь на Земле. Запасенная через фотосинтез в биомассе солнечная энергия сама может служить потом источником энергии. Обычно это тепловая энергия. Но из биомассы можно производить и электроэнергию, жидкое топливо и водород.

Приведем примеры самых важных источников биомассы:

*отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности;

*отходы целлюлозно-бумажной промышленности;

* биологические отходы в сельском хозяйстве;

* сельскохозяйственные технические культуры (рапс и др. );

* органические бытовые и промышленные отходы;

* сточные воды.

Распространенными источниками биомассы являются отходы бумажной и деревообрабатывающей промышленности, санитарная вырубка лесов.

Общий прирост биомассы на Земле достигает 130 миллиардов тонн сухого вещества в год. Это соответствует 660 000 ТВт*ч в год. Мировое потребление биоэнергии составляет 15000 ТВт*ч в год, это примерно 15% мирового энергопотребления. Для половины на селения мира биомасса является основным энергоисточником[19].

Возможности для роста потребления биоэнергии велики, частично путем увеличения производства и использования биомассы, частично путем улучшения энергопроизводства. Но увеличение потребления биомассы в производстве энергии может вступить в противоречие с необходимостью увеличения использования биомассы в производстве продуктов питания для растущего населения Земли.

Самый старый способ преобразования биомассы в биоэнергию - сжигание древесины. 70% населения развивающихся стран используют древесину как источник энергии. Средний расход древесины для производства энергии в этих странах составляет примерно 700 кг в год на одного человека.

Сжигание более половины вырубаемой древесины сжигается для получения тепла. Часто для этого используются старые печи, которые выбрасывают загрязняющие вещества в окружающую среду. Если использовать новые конструкции печей с катализаторами, нейтрализующими вредные вещества, загрязнение окружающей среды можно намного уменьшить.

Пиролиз - это разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. Пиролиз древесины происходит при 450 - 500 °С. Продуктами пиролиза являются древесный уголь и горючие газы (метан, оксид углерода). Именно эти продукты используют как топливо для обогрева и как сырье в некоторых отраслях промышленности. Продукты пиролиза намного удобнее в применении, чем твердая биомасса, однако эта технология экологически грязная, так как требуется утилизация всех подобных продуктов пиролиза.

Отходы сельскохозяйственного производства

Даже навоз может служить источником энергии! Как топливо используют не только навоз, но и продукты его переработки. Перерабатывают навоз чаще совместно с отходами коммунального хозяйства. Дело в том, что оба вида биомассы содержат микроорганизмы, которые в определенных условиях (в частности, при температуре 50 - 60 °С, без доступа воздуха) разлагают органические вещества до биогаза. Этот процесс обязательно происходит с участием особых веществ - ферментов - и поэтому называется ферментацией. Основной составляющей биогаза является метан, при сгорании которого выделяется тепло. Установки для ферментации навоза очень удобно использовать на фермах, полностью обеспечивая их потребности в энергии. [8]

Это очень экономичная технология.

Производство биотоплива для транспорта: этанол, биодизель.

В Бразилии и США выполняются самые крупные в мире программы производства этилового спирта из биомассы. В Бразилии из сахарного тростника, выращенного специально для этих целей, производится столько этилового спирта, что это покрывает около половины потребностей страны в автомобильном топливе. Большинство автомобилей работает на спиртобензиновой смеси, содержащей 20% спирта, хотя некоторые используют как топливо чистый этиловый спирт. Использование спиртосодержащего топлива в автомобильных двигателях вместо бензина снижает загрязнение атмосферы выхлопными газами. В Европе использование спиртосодержащего топлива очень перспективно, потому что здесь образуются огромные отходы сельскохозяйственного производства и излишки сельскохозяйственной продукции, которые можно использовать для производства такого топлива.

Преимущества биоэнергии

*Биоэнергия - возобновляемая энергия.

Биоэнергия не увеличивает концентрацию углекислого газа в атмосфере.

* Биоэнергия решает проблему использования отходов.

* Технологии получения биоэнергии конкурентоспособны уже сейчас.

Недостатки биоэнергии

*Для производства биомассы нужны обширные территории

* Если вырубка лесов будет производится быстрее, чем естественный прирост, будет нанесен серьезный ущерб окружающей среде. Поэтому необходимо увеличивать высадку лесов и заботиться о них.

* Увеличение населения Земли и необходимость увеличения производства продуктов питания означает, что земля становится больше необходима для производства пшеницы, чем для производства биотоплива.

5.2 Производство биомассы для энергетических целей

Термин энергетическая ферма используется в очень широком смысле, обозначая производство энергии в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, аквакультуры, а кроме того, те виды промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы. Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгодно найти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы энергии и биотоплива.

Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия по выращиванию и комплексной переработке сахарного тростника.

Производство зависит от сжигания отходов переработки тростника, необходимого для снабжения энергией всей технологической цепи. При надлежащей механизации можно было бы получить дополнительную энергию для производства на продажу побочных продуктов (патоки, химикатов, корма для животных, этилового спирта, строительных материалов, электроэнергии). Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию можно использовать для выращивания культур и выполнения транспортных операций. Развитие энергетики за счет использования сельскохозяйственных культур имеет как достоинства, так и недостатки. Один из наиболее существенных недостатков то, что производство энергии станет конкурировать с производством пищи. Крупномасштабное увеличение объема производства биотоплива (например, этилового спирта) по этой причине может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов. Второй серьезный недостаток - возможность обеднения и эрозии почв в результате интенсификации выращивания «энергетических» культур. Очевидная стратегия спасения от этих явлений - выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным. Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа всего процесса - от выращивания биомассы до получения конечных продуктов.

Энергетический анализ - это определение затрат энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющий выделить технические и технологические аспекты процесса.

На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы агропромышленным методом оказываются достаточно сложными.

5.3 Пиролиз (сухая перегонка) и газификация

Под пиролизом подразумеваются любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. Изначальным сырьем могут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде древесного угля и золы.

Схема установки для осуществления пиролиза приведена на рис.5.3. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху.

КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания производного топлива к теплоте сгорания используемой в процессе биомассы. Достигаемый КПД весьма высок: 80-90%.

Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают и измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемых продуктов, является соотношение воздух - горючее.

5.4 Химические процессы переработки

Биомасса может сжигаться или подвергаться пиролизу непосредственно после предварительной сортировки и измельчания. Однако, она может быть еще и обработана химически для того, чтобы получить исходный материал для спиртовой ферментации или вторичное топливо. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров из большого числа возможных.

Гидрогенизация.

Измельченную, разложившуюся или переваренную биомассу, например навоз, нагревают в атмосфере водорода до температуры около 600 °С при давлении около 5 МПа. Получаемые при этом горючие газы, преимущественно метан и этан, при сжигании дают около 6 МДж на 1 кг сухого сырья.

Гидрогенизация с применением CO и пара. Ведется аналогично предыдущему процессу, но нагревание производится в атмосфере CO и водяного пара при температуре 400 °С и давлении 5 МПа. Из продуктов реакции извлекается синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо. Соответствующие реакции идут в присутствии железного катализатора:

Гидролиз под воздействием кислот и ферментов.

Целлюлоза, составляющая основную массу сухого остатка растений (от 30 до 50%), трудно поддается гидролизу и сбраживанию с помощью микроорганизмов. Превращение целлюлозы в сахара, которые могут сбраживаться, возможно путем нагревания в серной кислоте или под воздействием фермента целлюлозы некоторых микроорганизмов. Полученные продукты можно использовать в качестве пищи для крупного рогатого скота.

Получение сахара используется для получения так называемого гидролизного этилового спирта.

Производство биодизеля. Преобразование масла кокосовых орехов в эфиры.

Белая мякоть кокосовых орехов (копра) примерно на 50% состоит из масла. Кокосовое масло может быть непосредственно использовано в качестве дизельного топлива в двигателях, оснащенных специальной системой подачи, однако при этом образуется ядовитый дым, кроме того, при температуре ниже + 23 °С масло затвердевает. Добавив в масло 20% метилового или этилового спирта, можно получить жидкие эфиры, являющиеся прекрасным дизельным топливом, и глицерин. Получаемые эфиры имеют теплоту сгорания около 38 МДж/кг, что выше, чем у перерабатываемого масла, и приближается к соответствующему показателю бензина (46 МДж/кг). Другие растительные масла также могут быть переработаны аналогичным образом.

Метиловый спирт в качестве топлива.

Метиловый спирт (метанол) - ядовитая жидкость, получаемая в процессе каталитической реакции между H2 и CO при температуре 330 °С и давлении 15 МПа:

Эти газы - основные компоненты синтетического газа, они могут получаться при газификации биомассы. Метанол можно использовать в качестве заменителя бензина с теплотой сгорания 23 МДж/кг или перерабатываются в высокооктановое топливо[20].

5.5 Производство и использование спиртовых топлив

Методы получения спирта:

Этиловый спирт (этанол) C2H5OH в естественных условиях образуется из cахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде, pH -от 4 до 5. Подобный процесс спиртовой ферментации во всем мире используют для получения питьевого спирта. Наиболее часто используемые микро-организмы - дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae - погибают при концентрации спирта выше 10%, поэтому для повышения концентрации используют перегонку или фракционирование. После перегонки (дистилляции) получается кипящая при постоянной температуре смесь: 95% этанола и 5% воды. Обезвоженный этанол в промышленных условиях производится путем азеотропной перегонки перегонки с растворителем типа бензола или талуола. При брожении теряется лишь 0,5% энергетического потенциала cахаров, остальные затраты энергии связаны с перегонкой. Необходимую тепловую энергию можно получить, сжигая остающиеся отходы биомассы.

Процессы производства этанола из различных культур в порядке возрастания трудностей переработки.

Из сахарного тростника. Обычно промышленную сахарозу получают из сока сахарного тростника, а остающуюся патоку используют для получения спирта (рис. 5.4.). Основная реакция превращения сахарозы в этанол имеет вид:

На практике выход ограничивается конкурирующими реакциями и потреблением сахарозы на увеличение массы дрожжей. Промышленный выход составляет около 80% выхода, определяемого.

Из сахарной свеклы. Вначале получают сахар для сбраживания, но свекла не дает достаточного количества отходов для получения тепла. Из-за этого этанол дорожает.

Из растительного крахмала. Источником крахмала служат злаковые культуры, картофель, маниок. Крахмал можно подвергнуть гидролизу на сахар. Это основной энергоаккумулирующий углевод растений. Состоит из двух компонентов с большой молекулярной массой, амилозы и амилопектина. Эти крупные молекулы линейны и состоят из глюкозных остатков, соединенных углеродными связями, которые могут быть разрушены ферментами солода, содержащегося в некоторых культурах, например в ячмене, или ферментами подходящих плесеней (грибков). Разрушить углеродные связи в крахмале можно и при обработке их сильными кислотами ( pH?1,5) при давлении 0,2 МПа, но выход сахаров при этом снижается, а сам процесс по сравнению с ферментацией удорожается[21].

Из целлюлозы. Целлюлоза содержится в количестве до 40% сухой биомассы и потенциально является обширным возобновляемым источником энергии. Это тоже полимер глюкозы. Соответствующие связи молекул глюкозы в целлюлозе значительно труднее поддаются гидролизу, чем у крахмала. В растениях целлюлоза тесно связана с лигнином, препятствующим ее гидролизу до сахаров. Подобно крахмалу возможен гидролиз целлюлозы в кислой среде, однако этот процесс дорог и требует подвода энергии. Гидролиз удешевляется и становится менее энергоемким при использовании грибков, но в этом случае процесс идет слишком медленно. В основе промышленного процесса лежит использование измельченной древесной массы или старых газет. Механическое разрушение древесины - наиболее энергоемкая и дорогая стадия процесса.

В настоящее время большое количество спирта получают из древесины и ее отходов путем гидролиза растворами серной кислоты в автоклавах при повышенной температуре и последующего сбраживания полученных сахаристых веществ (из 1 т сухих опилок можно получить 180-200 л ректификата).

В условиях региона с покупным природным газом и избытком отходов пищевой и лесотехнической продукции наиболее подходят два первые варианта. Однако основной процесс получения этанола путем ректификации связан с высокими энергозатратами (доля энергозатрат при получении этилового спирта достигает 60% и более).

Промышленное производство этанола зависит и от многих местных факторов, включая энергетические и экономические. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что максимальное использование различных видов отходов биомассы для выработки электроэнергии и обеспечения производства теплом - основа рентабельности получения этанола.

В табл. 5.1. приведены данные по производству этанола из некоторых технических культур.

Табл. 5.1.

Использование этанола в качестве топлива на транспорте

Жидкие топлива чрезвычайно важны из-за удобства использования и хорошего управления сгоранием в двигателях. Можно вводить в несколько переделанные бензиновые двигатели прямо 95%-ный этанол, а можно подавать в обычный двигатель смесь из 100%-ного этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10-1:5.

Обезвоженный этанол - жидкость в интервале температур от -117 до +78 °С с температурой воспламенения 423 °С. Применение его в двигателе внутреннего сгорания требует специального карбюратора. Поэтому и смешивают бензин с обезвоженным этанолом (20 % по объему) и используют эту смесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях. Газохол в настоящее время - обычное топливо в Бразилии (этанол там получают из сахарного тростника и маниока), используют его и в США (этанол из кукурузы). Важная особенность этанола - способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, из-за этого он гораздо предпочтительнее добавок из тетраэтилсвинца, вызывающего серьезные загрязнения атмосферы. Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-ное увеличение мощности по сравнению с чистым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно теплота сгорания (24 МДж/м3) на 40% ниже чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горение этанола компенсирует это уменьшение теплотворной способности. Опыт подтверждает, что двигатели потребляют примерно одинаковое количество газохола и бензина.

5.6 Экологическаяхарактеристика использования биоэнергетических установок

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация - эффективное средство не только переработки отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются удобрения. Городские стоки и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные источники сильного загрязнения природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении. Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Прямое сжигание древесины дает большое количество твердых частиц, органических компонентов, окиси углерода и других газов. По концентрации некоторых загрязнителей они превосходят продукты сгорания нефти и ее производных. Другим экологическим последствием сжигания древесины являются значительные тепловые потери.

По сравнению с древесиной биогаз - более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек. При ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол образуется большое количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до10) превышает вес этилового спирта. Еще более опасные отходы получаются в процессе пиролиза.

Глава 6 «Ветроэнергетика»

6.1 Энергоресурсы ветра

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников и может быть утилизирован в народном хозяйстве в значительно больших масштабах, чем в настоящее время.

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических, закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов.

Таблица 6.1.

Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на условия работы ветроагрегатов.

Баллы Боффора	Скорость ветра, м/с	Характеристика ветра	Наблюдаемые эффекты действия	Воздействие ветра на ВЭУ	Условия для работы ВЭУ
1	0,4 - 1,8	Тихий	Дым из труб слегка отклоняется; на воде появляется рябь	Нет	Отсутствует
2	1,8 - 3,6	Легкий	Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливые волнения	Нет	Отсутствует
3	3,6 - 5,8	Слабый	Колеблются листья на деревьях, развиваются легкие флаги; на отдельных волнах появляются барашки	Начинают вращаться лопасти тихоходных ВЭУ	Плохие для всех установок
4	5,8 - 8,5	Умеренный	Колеблются тонкие ветки деревьев, поднимается пыль, на воде много барашков	Начинают вращаться колеса всех ВЭУ	Хорошие
5	8,5 - 11	Свежий	Начинают раскачиваться лиственные деревья, все волны в барашках	Мощность ВЭУ достигает 30% проектной	Очень хорошие

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована, вряд ли возможно, так как эта оценка очень сильно зависит от уровня развития ветроэнергетики и ее потребителей. Тем не менее, официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например, в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20%. При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнергетики может быть существенно большей. Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных районах и на островах.

Метеорологические условия

К главным факторам, определяющим возможность использования энергии ветра, относятся метеорологические условия, выбор оптимального расположения ветроэнергетической установки (ВЭУ), метод преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, ее использование в общей системе энергоснабжения и, кроме того, экономическая эффективность.

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость и направление. Эти величины зависят от влияния сил, действующих как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях на движущиеся воздушные массы. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества тепловой энергии, поступающей на Землю, и др.), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по случайному закону. Поэтому мощность, которую способна выработать ВЭУ в различные периоды времени, можно предсказать с малой вероятностью. В то же время суммарная выработка агрегата, особенно за длительный промежуток времени, рассчитывается с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распределения скоростей в течение года или сезона изменяются мало[22].

Характеристики ветра

Интересующие нас параметры ветра регистрируются, как правило, на одной стандартной высоте 10 м на метеостанциях вблизи аэропортов и городов, т.е. мест, возможно, наиболее защищенных от ветра. Поэтому эти данные можно использовать лишь для грубой оценки ветроэнергетических ресурсов рассматриваемого района, но их недостаточно для принятия конкретных технических решений, как, например, выбор оптимальной конструкции ветроустановки. Для этого, как правило, необходимы более детальные наблюдения в большем числе точек местности и на разных высотах в различные месяцы года.

Скорость ветра классифицируется метеослужбами по исторически сложившейся шкале Бофорта, в основе которой лежат визуальные наблюдения. Скорость ветра при стандартных метеорологических измерениях определяется осреднением за 10-минутный отрезок времени показаний анемометра, находящегося на 10-метровой высоте. Эти измерения могут повторяться каждый час, но обычно они проводятся значительно реже, поэтому по ним трудно судить о флуктуациях скорости ветра и его направления, что необходимо для расчета характеристик ветроустановок.

Направление ветра определяется стороной света, откуда дует ветер. Метеоданные о направлении ветра обычно представляют в виде розы ветров, показывающей среднюю скорость ветра в различных направлениях.

Информация о направлении ветра чрезвычайно важна, когда ветроустановки размещают в горной местности, вблизи зданий или других ветроустановок, т.е. в тех случаях, когда возможно их затенение при некоторых направлениях ветра.

Зависимость параметров ветра от высоты. Скорости ветра на разных высотах различны, естественно, различны и воздействия ветра на ветроколеса, расположенные на разной высоте. На поверхности земли (z=0) скорость ветра всегда равна нулю. Затем до высоты, равной примерно высоте расположенных в данном месте различных препятствии (зданий, деревьев и т. п.), скорость ветра увеличивается очень сложным образом, при этом его направление может изменяться практически случайно.

Следовательно, ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными флуктуациями скорости и направления, а наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50 м.

Изменение параметров ветра во времени. При практическом использовании ветроэнергетических установок важно знать, не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно.

При сильном ветре, большем, например, 12 м/с, ветроустановки вырабатывают вполне достаточно электроэнергии, а зачастую ее приходится сбрасывать или запасать. Трудности, естественно, возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра.

Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью более 8 м/с - очень хорошими. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановки применительно к местным метеоусловиям.

Энергетические ресурсы ветра

Необходимо различать три вида энергетических ресурсов ветра:

· природные ресурсы (теоретический потенциал);

· ресурсы, пригодные для практического использования (технический потенциал);

· экономические ресурсы (экономический потенциал).

Природные ресурсы энергии ветра - это содержащаяся в нем кинетическая энергия. Наибольшая доля кинетической энергии ветра, которая в соответствии с законами природы и современным уровнем развития техники может быть преобразована в полезную энергию, составляет ресурсы, пригодные для практического использования. Доля энергии, которую можно преобразовать в традиционный вид энергии с экономически оправданными затратами по сравнению с обычными энергоресурсами, относится к экономическим ресурсам.

6.2 Оценка ресурсов ветра

Кинетическая энергия единицы массы воздушного потока равна v2/2, а массовый расход потока через данное поперечное сечение площадью А составляет сAv. Теоретическая располагаемая мощность воздушного потока есть произведение этих двух величин:



где v -- скорость движения воздуха,

с - его плотность.

Если А является площадью круга, описываемого лопатками ветроколеса диаметром D, то:

и располагаемая мощность составляет:

Фактически располагаемую мощность удобно представить в виде:

где Кг - коэффициент использования энергии ветра, учитывающий динамику ветра и эффективность роторной системы.

Максимальное количество энергии, которое может быть получено от движущегося воздушного потока, которое составляет 0,59259 теоретически располагаемой энергии. Это количество энергии может быть получено только при совершенной конструкции лопастей, причем скорость движения концов лопастей должна в шесть раз превышать скорость ветра. Любой аэрогенератор может работать только в определенном диапазоне скоростей ветра, начиная с минимальной (пусковой) скорости Vn и кончая номинальной рабочей скоростью Vном. Обычно отношение Vном к Vn находится в пределах от 2 до 3. Если при скоростях ветра, превышающих Vном, можно изменять угол установки лопастей, система может продолжать работу при номинальной энергии генерируемой мощности, причем предельное значение скорости зависит только от конструкции. В некоторых системах во избежание поломки ветроколеса при больших скоростях ветра оно целиком выводится из-под ветра.

У многих современных ветроагрегатов КПД при передаче мощности с вала ветроколеса на выводы генератора достигает 75%. Принимая во внимание, что три нормальном атмосферном давлении (1000 Па) и температуре 290К плотность воздуха р=1,201 .кг/м3, и полагая, что КПД при передаче мощности с вала ветроколеса до выводов генератора составляет 75%, получаем:

Влияние высоты мачты ветроагрегата на его характеристики может быть значительным. Идеальным местом установки ветроагрегата является длинный, пологий склон холма[24].

6.3 Основы ветроэнергетики

Мощность ветроагрегата

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики.

Ниже будет показано, что при скорости ветра u0 и плотности воздуха с ветроколесо, ометающее площадь A, развивает мощность:

P=CpA с (ru3/2)

Здесь Cp-параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и называемый коэффициентом мощности.

Из уравнения видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой площади А и кубу скорости u. Коэффициент мощности Cp зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра.

Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии.

Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна Cp, плотности воздуха и кубу средней скорости, т. е.

Р~ Cp с (u)3.

Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м2 ометаемой площади мощность - порядка 300 Вт при значении Cp от 0,35 до 0,45.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25-33% его максимального проектного значения.

Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть интерес к таким установкам вспыхнул вновь, и было построено множество современных ветроагрегатов при широком использовании микроэлектроники для контроля и управления ими.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок - обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра: Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности.

Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки[25].

6.4 Классификация ветроустановок

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам - геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис.6.2. показаны взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы.

Пусть воздушный поток, имеющий скорость u и, набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью v и, тогда скорость потока относительно лопасти будет vr. При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1) сила сопротивления FD, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока vr;

2) подъемная сила FL, перпендикулярная силе FD. Слово «подъемная» в этом термине, конечно, не означает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх;

3) завихрение обтекающего лопасти потока. В результате это приводит к закрутке воздушного потока за плоскостью ветроколеса, т. е. к его вращению относительно вектора скорости набегающего потока;

4) турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями;

5) препятствие для набегающего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к сметаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

Ветроколесо с горизонтальной осью.

Рассмотрим горизонтально-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее размещать внизу, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают, преимущества такого размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении.

Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни. Принципиальными недостатками таких установок являются:

· гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов

· пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора.

Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.

Типы вертикально-осевых установок

Чашечный ротор (анемометр)

Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

Ротор Савониуса

Это колесо также вращается силой сопротивления и частично реактивными силами. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т. е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

Ротор Дарье

Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.

Ротор Масгрува

Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.

Ротор Эванса

Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.

Глава 7 «Геотермальная энергия»

7.1 Тепловой режим земной коры

Под геотермикой (от греческих слов «гео» - земля и «термо» - тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов.

Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.[7]