Альтернативные источники энергии
Физические основы преобразования солнечного излучения в тепло. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента. Типы солнцеприемников систем отопления. Энергетический баланс теплового аккумулятора. Производство биомассы для энергетических целей.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | диссертация |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.11.2012 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород (T ) приближенно может быть определена по формуле
где tв - средняя температура воздуха данной местности;
H - глубина, для которой определяется температура;
h - глубина слоя постоянных годовых температур;
у - геотермическая ступень.
Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °С.
Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150-200 °С и более. В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м - не выше 20° С, 1 тыс. м - 25-35° С; 2 тыс. м - 40-60° С; 3-4 тыс. м -до 100° С и более.
7.2.Подземные термальные воды (гидротермы)
В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель - вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.
На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм. исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода. В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200° С и выше. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные[27].
К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90°С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды.
К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С.
В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.
Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.
Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов- так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.
Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод - от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород. В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м.
Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам.
Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горообразования.
Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.
Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные - азот, метан, водород.
В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды - при добыче электроэнергии, пресные термальные воды - в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды - в бальнеологических целях, рассолы - как промышленное сырье.
7.3 Запасы и распространение термальных вод
К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы
По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.
Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма.
К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами - 45-70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.)[28].
Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом - 30-33 °С/км.
Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100-150° С на глубине 3-4 км.
Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее перспективными для комплексного использования в практических целях.
Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся данных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных пород. Запасы термальных вод представляют собой общее количество выявленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных горизонтов, имеющих температуру 40-200° С, минерализацию до 35 г/л и глубину залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности.
С развитием глубокого бурения на 10-15 км открываются многообещающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На таких глубинах в некоторых районах страны (исключая вулканические) температура вод может достигнуть 350° С и выше.
Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения(Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах.
К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, несомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагретость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их залегания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разломам в земной коре.
Таким образом, температура пород, а следовательно, и вод находится в зависимости от глубины залегания и от района, который характеризуется большей или, меньшей геотермической активностью.
7.4 Прямое использование геотермальной энергии
Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5-3 км. Пароводяная смесь в среднем имеет степень сухости 0,2-0,5 и энтальпию 1500-2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5 МВт, средняя стоимость бурения составляет 900 долларов за метр.
7.5 Использование геотермальной энергии для теплоснабжения жилых и производственных зданий
Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий можно широко использовать как горячую термальную воду, так и теплую.
В последнем случае она служит для предварительного подогрева котельной воды или как источник тепла в тепловом насосе.
Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50-60° С.
Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток.
Глава 8. «Энергетические ресурсы океана»
8.1 Баланс возобновляемой энергии океана
Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан - результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % - десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м).
Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения[31].
(л >10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° с.ш. до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями : длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %; передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испарение 54 %.
За счет движения воздушных и водных масс, запасенная океаном энергия переносится по всей планете. Причем в области между экватором и 70° с. ш. - в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями; а на 20° с. ш.- вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п. Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане и на поверхности суши различные изменения. Преобразуются в тепло 43 %; расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно 0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива. Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии. Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) выполнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей различных океанических источников энергии за пять лет. Соответствующие данные приведены на диаграммах рис., на которых отмечены два уровня - суммарный и допускающий преобразование (заштрихован). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже
При оценке возможностей приливной энергетики учтено, что работать на полную мощность ПЭС могут только в течение 30 % времени. Данные по океанским течениям получены с учетом 1 % допустимого замедления скорости течения. При оценке возможностей энергетического использования продукции океанского фотосинтеза приняты во внимание 50% эффективности преобразования бурых водорослей в метан и возможность размещения соответствующих ферм в 20 % районов естественного апвеллинга. Апвеллинг - подъем глубинных вод, богатых биогенными веществами, играющими роль удобрений. Для прибрежных волновых генераторов установлены КПД 50 % и время работы 40 % годового бюджета времени. КПД преобразования градиента солености принят равным 3%, а градиента температур - 5 %, причем в последнем случае считается реальным разместить преобразователи на 2 % поверхности океана в тропической зоне. Для ветровых станций коэффициент преобразования энергии ветра принят равным 60%, и допустимым уровнем изъятия мощности считают 1 % мощности ветров, дующих на удалении от берега.
8.2 Преобразования энергии волн
Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (T ?10 с) волны большой амплитуды (a ?2м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м. Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны л /2.[33]
Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основные характерные особенности:
? волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода;
? движение каждой частицы жидкости в волне является круговым (в то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении);
? амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной.
? существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины л , скорости распространения c, периода T , а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью. В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости. В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты a , равным амплитуде волны (рис. 8.2.). Высота волны H от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде (H = 2a ). Угловая скорость движения частиц щ измеряется в радианах в секунду. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама вода не перемещается в направлении распространения волны (слева направо). Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространение волнового движения вперед.
Рис.8.2.Характеристики волны.
Соотношение, устанавливающее зависимость между частотой и длиной для поверхностной волны на глубокой воде
Период движения волны
Скорость частицы жидкости в гребне волны
Скорость перемещения поверхности волны в направлении x определится как
Скорость c называют фазовой скоростью распространения волн, создаваемых на поверхности жидкости. Эта величина не зависит от амплитуды волны и неявным образом связана со скоростью движения частиц жидкости в волне.
Преобразователи энергии волн
Преобразователи, отслеживающие профиль волны
В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобразователя - колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности.
Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний.
Дальнейшие разработки Солтера направлены на то, чтобы обеспечить утке способность противостоять ударам максимальных волн и создать заякоренную гирлянду преобразователей в виде достаточно гибкой линии. Предполагается, что характерный размер реальной утки будет равен пример-но0,1л , что для 100-метровых атлантических волн соответствует 10 м. Нить из уток протяженностью несколько километров предполагается установить в районе с наиболее интенсивным волнением западнее Гебридских островов. Мощность всей станции будет примерно 100 МВт.
Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом -
контурный плот Коккерелла. Его модель также в 1/10 величины испытывалась в том же, что и «утка Солтера», году в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот - многозвенная система из шарнирно соединенных секций. Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.
Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %. Это ниже, чем у «утки» Солтера (но плот привлекает другим достоинством: близость конструкции к традиционным судостроительным). Изготовление таких плотов не потребует создания новых промышленных предприятий и позволит поднять занятость в судостроительной промышленности.
Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба
При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэлса. Основной принцип действия колеблющегося столба показан на рис. В Тофтестоллене он используется в 500-киловаттной установке, построенной на краю отвесной скалы[34].
Рис.8.5.Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося водного столба (разработана Национальной инженерной лабораторией NEL, Великобритания, размещается непосредственно на грунте, турбина приводится в действие потоком одного направления):
1 - волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - выпуск воздуха; 5 - направление волны; 6 - опускание уровня; 7 - впуск воздуха.
Рис.8.6.Пневмобуй Масуды:
1- корпус; 2 - электрогенератор; 3 - клапан; 4 - воздушная турбина.
Глава 9. «Гидроэнергетика»
9.1 Состояние и развитие малой гидроэнергетики
Гидроагрегаты для малых ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками. В комплект поставки входят: турбина, генератор и система автоматического управления.
Микро-ГЭС - надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств; а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше, и дороже, чем приобрести и установить микро-ГЭС.
В комплект поставки входят: энергоблок, водозаборное устройство и устройство автоматического регулирования. Малые ГЭС (микро-ГЭС) получили развитие во многих странах мира в ХХ веке. Они характеризовались большой часовой наработкой, значительными конструктивными запасами и высокой надежностью, но требовали постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Развитие энергосистем и строительство крупных ГЭС привели к снижению стоимости электроэнергии и неконкурентноспособности малых ГЭС из-за больших эксплуатационных расходов. Но разразившийся мировой энергетический кризис способствовал тому, что интерес к использованию имеющихся энергоресурсов и строительству малых ГЭС во многих странах значительно повысился. При новых подходах к созданию микро-ГЭС широкие возможности для их возведения имеются при существующих гидротехнических сооружениях, эксплуатируемых ГЭС, ТЭС, АЭС; на гидроузлах, построенных для орошения и водоснабжения; при строящихся гидроузлах различного назначения; на высокогорных стоках, вблизи селений и сельскохозяйственных построек; в составе систем технического водоснабжения на промышленных предприятиях.
Большее число микро-ГЭС может быть построено на эксплуатируемых и намеченных у сооружению водоснабжающих и ирригационных гидроузлах и их сооружениях (быстротоки, гасители энергии, пороги, отклонители); на водосборных каналах и системах каптажа крупных гидроузлов.
В системах водоснабжения на участках трассы с большой разницей отметок поверхности вместо различного рода шахтных сопряжений, энергогасителей и других сооружений могут быть построены микро-ГЭС. При расходах воды в пределах от 5 до 100 л/с их мощность может достигать от 20 до 200 кВт.
В настоящее время разработана методика определения эффективности и программы освоения энергетического потенциала малых водостоков. Микро-ГЭС в основном предназначены для покрытия местных нужд и изолированно работы от энергосистем. При строительстве целесообразно применять стандартизированные и укрупненные сооружения (блоки).
Малые ГЭС в настоящее время могут быть рентабельными при упрощении схемы их управления (например, за счет балластной нагрузки) и работы без обслуживающего персонала. Эффективность микро ГЭС может быть повышена за счет многоцелевого использования ее сооружений, а также при выдаче мощности в местную сеть. При работе микро-ГЭС на изолированную нагрузку возникает необходимость регулирования частоты и напряжения. Если водохранилище имеет достаточную емкость, можно обеспечивать суточное и недельное регулирование, в противном случае рекомендуется регулирование с помощью балластной нагрузки.
9.2 Классификация микро-ГЭС
В данной главе рассмотрим классификацию существующих на сегодняшний день установок малых ГЭС.
В области малой и нетрадиционной энергетики разрабатываются гидроагрегаты:
1. с ортогональными турбинами для напоров 1-5 м;
2. с пропеллерными турбинами для напоров 5-20 м;
3. с турбинами типа «Банки» для напоров 20-150 м.
Диапазон единичных мощностей разрабатываемых гидроагрегатов находится в пределах от 1 до 1000 кВт при изменении максимального расхода от 0,1 до 100 м3/с. Установки предназначены для выработки электроэнергии в сеть. Они также могут быть укомплектованы электротехническим оборудованием для работы на автономную нагрузку.
Разрабатываются способы и оборудования для электролизной защиты, которая используется для предотвращения полного биологического обрастания на бетонных поверхностях и на оборудовании турбинных водоводов на весь срок эксплуатации.
Итак, установки подразделяются:
1. По принципу работы.
Применительно к различным природным условиям можно выделить два типа микро-ГЭС, реализующих:
1.1. потенциальную энергию водостока;
1.2.кинетическую энергию водостока.
Примерами первого типа являются микро-ГЭС с традиционным оборудованием, русловые или деривационные, а также, разрабатываемые в последние годы так называемые рукавные ГЭС (разновидность деривационных).
Микро-ГЭС второго типа устанавливаются непосредственно в водостоке. Примерами их являются разработанные и применяющиеся гирляндные ГЭС конструкции, триллексная вертикальная, штанговая плоскопараллельная и плоскоподъемная, роторного типа и капсульные гидроагрегаты, применяемые за рубежом.
Технические решения, применяемые при создании микро-ГЭС, разнообразны. Это и традиционные: применение практически всех гидротурбин (радиально-осевых, пропеллерных, ковшовых); а также много нетрадиционных предложений, например, гирляндные ГЭС
2. По напору воды:
2.1. низконапорные (осевые горизонтальные и вертикальные прямоточные установки, капсульные турбины);
2.2. средненапорные (радиально-осевые с горизонтальным или вертикальным валом, установки с неподвижным направляющим валом);
2.3. высоконапорные (ковшовые турбины).
Диапазон напора воды колеблется от 3 до 80 м.
3. По конструктивному исполнению турбины (по требованиям регулирования):
3.1. с неподвижными лопатками направляющего аппарата и лопастями рабочего колеса;
3.2. с неподвижными лопастями рабочего колеса и регулируемым направляющим аппаратом;
3.3. с регулируемыми лопастями рабочего колеса и неподвижным направляющим аппаратом;
3.4. с регулируемым направляющим аппаратом и поворотными лопастями рабочего колеса.
4. По скорости течения воды (по расходу воды):
4.1. на малых водостоках (расход до 5 куб. м., длина до 10 км);
4.2. на средних водостоках (расход до 50 куб. м., длина до 100 км);
4.3. на больших водостоках (расход более 50 куб. м., длина более 100 км).
5. По мощности:
По существующей классификации ООН к малым относятся ГЭС мощностью до 10-15 МВт, в том числе:
5.1. микро-ГЭС - мощностью до 0,1 МВт;
5.2. мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВт;
5.3. малые ГЭС - от 1 до 10 МВт.
6. По номинальному напряжению:
6.1. низкого напряжения (до 1 кВ - 230 В, 400 В);
6.2. высокого напряжения (более 1 кВ - 6 кВ, 10 кВ).
7. По частоте вращения турбины:
Ряд значений частоты вращения турбины колеблется от 200 до 1500 об/мин.
Малые ГЭС в отличие от дизельных электростанций все-таки требуют индивидуального проектирования.
Одним из типов микро-ГЭС являются гирляндные свободно-проточные, использующие кинетическую энергию водостока, работающие без специальных устройств для направления водного потока и без каких-либо гидротехнических сооружений. Гирляндные ГЭС создавались для работы на больших и малых водостоках каналов. Условиями для их использования являются возможность свободного обтекания гидротурбины водным потоком. Их мощность - от 0,5 до 5 кВт в зависимости от скорости воды в реке (1,2-3,0 м/с). Экологические воздействия данных ГЭС минимальные, эксплуатационные неудобства состоят в решении вопросов пропуска малых судов, катеров и лодок, сплавляемой древесины.
Заключение
Потребление энергии из возобновляемых источников в Узбекистане к 2006 году составило 22 млрд. кВт*ч.
Специалисты института "Физика-Солнце" подсчитали, что количество солнечной энергии, попадающей на территорию Узбекистана, в четыре раза больше всей потребляемой в настоящее время в стране энергии из других источников.
ООО "Узгелиоспецмонтаж" осуществляет конкретные проекты по установке гелиосистем на ряде объектов Узбекистана. Так, в Самаркандской области начала действовать первая электростанция на солнечной энергии и уже монтируется еще одна фотоэлектрическая станция, преобразующая энергию солнца в электрическую.
Серийное производство фотоэлектрических станций малой мощности освоило совместное узбекско-российское предприятие "Солеко". Одним из его учредителей стало Агентство по космическим исследованиям Узбекистана - "Узбеккосмос". Работающие на солнечной энергии фотоэлектрические станции обеспечат электричеством стойбища чабанов далеко в пустынях и на альпийских лугах, небольшие поселки геологов, ведущих разведку полезных ископаемых, высокогорные пасеки. Фотоэлектрические станции очень удобны в употреблении. Стоит установить на станции дополнительные модули и мощность ее увеличится. Модули представляют собой ленты из нержавеющей стали со слоем аморфного кремния. Когда пастухи решают перегнать скот на другое пастбище, они свертывают эти ленты в рулон и перевозят на новое место. Эти рулоны можно использовать и для покрытия крыши в постоянных поселках. Тогда каждый дом может иметь на крыше свою миниатюрную электростанцию.
Министерством телекоммуникаций Узбекистана совместно с Исследовательским Центром коммуникаций и Главгидрометом осуществляется проект по созданию комбинированного ветро-солнечного энергетического комплекса для удаленных самодостаточных телекоммуникационных объектов (радио- и телепередатчиков). Мощность такого энергетического комплекса составляет 9 кВт (6 кВт от фотопреобразующих модулей и 3 кВт от ветрогенератора). Было проведено исследование по изучению распределения ветровых нагрузок на локальных территориях Узбекистана. Объект было решено строить рядом с ретрансляционным пунктом Республиканского телевизионного передающего центра возле Чарвакского водохранилища на 1172 метрах над уровнем моря. К началу августа 2000 года объект был введен в опытную эксплуатацию. За два года гибридная установка выработала более 16 тыс. кВт*ч электроэнергии, из которых на работу ретранслятора затрачено более 13 тыс. кВт*ч и сэкономлено ровно столько же промышленного электричества.
В 1987 году в поселке Паркент под Ташкентом сдана в эксплуатацию солнечная печь. Она предназначена для получения жаропрочных тугоплавких материалов и проведения теплофизических исследований. Подготовка сухофруктов традиционно представляет собой достаточно длительный процесс, который может нарушаться периодами плохой погоды. Сегодня энергия солнца используется в фруктосушильной установке, где знаменитый кишмиш получают в более короткие сроки. Гелиосушильные установки применяются и для сушки каракульских смушек, что ускоряет процесс в 2-3 раза.
Во многих районах Узбекистана для использования доступна соленая вода. С целью улучшения питьевых качеств ее опресняют, для чего используются парниковые опреснители, принцип работы которых довольно прост: залитая в них вода испаряется под действием солнечного тепла. Водяные пары, лишившиеся соли, конденсируются на внутренней стороне покатой стеклянной крыши и стекают в специальный водосборник.
Утилизация биомассы, получение и использование биогаза является перспективным направлением энергетики. Правда энергия, получаемая из биомассы, может удовлетворить энергетические потребности Узбекистана лишь на 15-19%. Но это тоже важно, так как использование биомассы для получения энергии в определенной степени решит проблему охраны окружающей среды и снабдит сельское хозяйство высококачественными удобрениями.
Особенность биомассы заключается в том, что, в отличие от нефти, природного газа и угля, она представляет собой постоянно возобновляющийся источник энергии. Источниками биомассы являются твердые бытовые, промышленные отходы, отстой городских сточных вод, отходы животноводства, растительные остатки, продукты леса, в частности отходы при заготовке и транспортировке леса, отходы при производстве лесоматериалов, древесной массы, бумаги и т.д.
Большой интерес с точки зрения получения энергии представляют отходы животноводства при содержании животных в закрытых помещениях в крупных откормочных хозяйствах. Энергию из биомассы можно получить: непосредственным сжиганием, термическим разложением и шлакованием, процессом пролива со ступенчатым испарением, сжиганием биомассы, газификацией топлив, анаэробной ферментацией и т.д. Наиболее эффективный способ получения энергии из отходов животных -это анаэробная ферментация и биогазофикация. В результате используется не только получаемый метан, но и остатки перегнивания, которые применяются в качестве органических удобрений или как корм для скота.
Биогазовые установки успешно функционируют на птицефабриках и откормочных животноводческих комплексах, однако широкого распространения они пока не получают. Министерством коммунального хозяйства Узбекистана совместно с Главгидрометом принято решение о проведении двух пилотных проектов. Первый подразумевает строительство станции, перерабатывающей 55000 т биомассы в год (в том числе твердый домашний мусор, силос, отходы животноводческих ферм). Подобные прототипы работают в Швеции, США и Канаде. Во втором проекте планируется строительство комбинированной котельной-электростанции, работающей на мусоре. Действующий прототип такой котельной работает в Дании.
Существенной экономии энергозатрат можно достигнуть за счет увеличения теплоизолирующих свойств строительных материалов, используя в том числе и растительные отходы, то есть ту же биомассу. В Узбекистане большие площади занимают посевы хлопчатника, кенафа, табака, подсолнечника. И если стебли хлопчатника до сих пор частично использовались как сырье для производства спирта, бумаги, то стебли остальных растений, как правило, просто сжигались. А ведь по природному происхождению и химическому составу они близки к древесине! И это при том, что лесных насаждений в стране очень мало. Ученые Узбекистана разработали технологию получения из этих отходов растениеводства экологически чистых строительных материалов, обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами и достаточно высоким сопротивлением к разрыву, что немаловажно для этого сейсмически активного региона.
Развитие гидроэнергетики базируется на использовании малых водотоков с гидроэнергетическим потенциалом порядка 1 млрд. кВт*ч. Планируется строительство до 15 новых ГЭС мощностью выше 10 МВт каждая.
В Узбекистане имеется большой потенциал так называемой малой гидроэнергетики, который сегодня используется на 3,2%. Проведенные исследования выявили возможность выработке на малых ГЭС до 8 млрд. кВт*ч электроэнергии в год. Минсельводхозом принята программа развития малых ГЭС на водохозяйственных объектах со строительством до 2008 года 15 таких станций суммарной мощностью 1,3 млрд. кВт*ч.
Список используемой литературы
1. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.:«Знание», 1988.
2. Калашников Н.П. Альтернативные источники энергии. - М.:«Знание», 1987.
3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии:М. Энергоатомиздат. 1990.
4. Алферов Ж.И.”Земные профессии солнца”М,1999
5. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г.:М.: Энергия, 1980/
6. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989.
7. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии- 1996
8. Мейтин М. Фотовольтаика: материалы, технологии, перспективы.
9. Фаворский О.Н. Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. - М.: Высшая. школа, 1995
10. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для вузов. - М.:Стройиздат, 1991.
11. ВСН 52-86. Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования. - М.: Госгражданстрой, 1988.
12. Плешка М.С., Вырлан П.М., Стратан Ф.И. и др. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий. - Кишинев: Штиинца,1990
13. РД 34.20.115-89. Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного теплоснабжения. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1990.
14. Шершнев В., Дударев Н. Солнечные системы теплоснабжения // Строительная инженерия. - 2006. - №1.
15. Бекман Г, Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: Пер. с англ. - М.:Мир, 1987.
16. http://www.intersolar.ru/.
17.http://www.ilies.ru/.
18.http://www.solar-battery.narod.ru/.
19. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. - М. Агропромиздат, 1987.
20. Дубровский В.С., Виестур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. - Рига: Зинатие, 1988.
21. Твайделл Дж., Уэйр А. Альтернативные источники энергии: -М. Энергоатомиздат, 1990.
22. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: ОГИЗ-Сельхозгиз,1948
23. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты. - М.:,1997.
24. http://www.awea.org - The American Wind Energy Assocication
25. http://www.ewea.org - The European Wind Energy Assocication
26. Р.Огарков Светлячок-Моделист-конструктор,1969
27. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. - М.: Наука, 1996.
28. http://acre.murdoch.edu.au/ - The Australian Renewable Energy Website.
29. http://www.mtu-net.ru/lge/ - Лаборатория геотермальной энергетики ЭНИН «России».
30. Бернштейн. Л.Б. и др. Приливные электростанции.
31. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. - Л.: Судостроение, 1986.
32. http://acre.humon.edu.au/
33. В.И. Сичкарев, В.А. Акуличев Волновые энергетические станции в океане
34. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. - М.:, 1996.
35. http://www.stroing.ru/.
36. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. - Л.:Изд-во Ленингр.ун-та. 1991. 343с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Распространение солнечной энергии на Земле. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов. Энергия Мирового океана и геотермальная энергия. Физические свойства и получение водорода.
реферат [1,0 M], добавлен 01.08.2012Распространение солнечной энергии на Земле. Способы получения электричества из солнечного излучения. Освещение зданий с помощью световых колодцев. Получение энергии с помощью ветрогенераторов. Виды геотермальных источников энергии и способы ее получения.
презентация [2,9 M], добавлен 18.12.2013Распределение плотности солнечного излучения на Земле. Схема работы Крымской экспериментальной СЭ. Установленная мощность ветростанций. Электростанции, использующие энергию водных течений. Проект подводной станции. Понятие про водородную энергетику.
контрольная работа [2,3 M], добавлен 31.07.2012Возобновление как преимущество альтернативных источников энергии. Энергетическая и сырьевая проблемы в России. Энергия солнца, ветра, приливов, глубинное тепло Земли, топливо из биомассы. Исследования в области применения биотоплива вместо нефти.
реферат [25,8 K], добавлен 05.01.2010Классификация альтернативных источников энергии. Возможности использования альтернативных источников энергии в России. Энергия ветра (ветровая энергетика). Малая гидроэнергетика, солнечная энергия. Использование энергии биомассы в энергетических целях.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 30.07.2012Проблемы электроэнергетики мира. Воздействие на окружающую среду энергетики. Топливно-энергетический баланс России. Пути решения энергетических проблем. Удельное энергопотребление на душу населения в мире. Альтернативные источники возобновляемой энергии.
презентация [104,3 K], добавлен 12.12.2010Численный расчет тепловой части солнечного коллектора. Расчет установок солнечного горячего водоснабжения. Расчет солнечного коллектора горячего водоснабжения. Часовая производительность установки. Определение коэффициента полезного действия установки.
контрольная работа [139,6 K], добавлен 19.02.2011Характеристика Солнца как источника энергии. Проектирование и постройка зданий с пассивным использованием солнечного тепла, способы уменьшения энергопотребления. Виды концентрационных станций, конструкции активной гелиосистемы и вакуумного коллектора.
реферат [488,8 K], добавлен 11.03.2012Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии; общедоступность и неисчерпаемость источника, полная безопасность для окружающей среды. Применение нетрадиционной энергии: световые колодцы; кухня, транспорт, электростанции.
презентация [4,5 M], добавлен 05.12.2013Использование солнечного излучения для получения энергии. Преобразование ее в теплоту и холод, движущую силу и электричество. Применение технологий и материалов для обогрева, охлаждения, освещения здания и промышленных предприятий за счет энергии Солнца.
презентация [457,4 K], добавлен 25.02.2015
