Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Энергосбережение. Альтернативные источники энергии.

В качестве основных видов альтернативной энергетики выступают:

- ветроэнергетика;

- гелиоэнергетика;

- малая и нетрадиционная гидроэнергетика;

- биоэнергетика;

- геотермальная энергетика;

- водородная энергетика.

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, основанная на преобразовании в электрическую энергию энергии движения воздушных масс (ветра).

Энергия ветра на Земле оценивается в 175-219 тыс. ТВт/ч в год (1 Тераватт равен 1 млрд киловатт). Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Полезно может быть использовано лишь 5% указанной величины энергии ветра. Постоянные воздушные течения, которые направляются к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток - бризы и года - муссоны.

Эффективными в использовании энергии ветра считаются ветры, которые на высоте 80 м над землей достигают скорости от 5 до 6,9 м/с. Такие ветры относятся к 3-му классу, и являются типичными для северного моря, южной части Южной Америки, Великих Озер на севере Америки.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) состоят из: ветряного колеса (с горизонтальной либо вертикальной осью вращения), генератора электрического тока, конструкции для установления ветряного колеса на определенной высоте у поверхности земли, системы управления параметрами работы. Размещение ВЭУ может быть: внутриконтинентальное, прибрежное, морское.

Мощность создаваемых в настоящее время ветроэнергетических установок составляет от нескольких киловатт до нескольких мегаватт. Выходная мощность установки зависит от площади лопастей и скорости ветра. Из всех выпускаемых конструкций ветрогенераторов в мире 90 % трехлопастные с горизонтальной осью.

Научные разработки и исследования ориентированы на использование ВЭУ по двум направлениям: в региональных энергосистемах и для местного (автономного) энергоснабжения. Функционируют ВЭУ мощностью до 20 кВт, и созданы установки мощностью до 3-4 МВт. Срок службы таких генераторов порядка 20 лет. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет меньше, чем на ТЭС на жидком топливе. Устанавливаться такие ВЭУ могут на открытых равнинных местах. Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт для автономного энергоснабжения жилых помещений, ферм и других потребителей могут применяться в странах с высоким жизненным уровнем.

Территория Республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильная скорость ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5-2,5% ветровой энергии.

Основными направлениями использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет их применение для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. А также производство ветроустановок ротационного типа мощностью 5-8 кВт, устойчиво работающей при скорости ветра 3,5 м/с. Поэтому ветроэнергетику можно рассматривать в качестве вспомогательного энергоресурса, решающего местные проблемы, например, отдельных фермерских хозяйств.

Таким образом, основными преимуществами использования ветроэнергетических установок являются их использование в региональных энергосистемах и для местного (автономного) энергоснабжении, значительные площади ветропарка могут быть приурочены к сельскохозяйственному использованию земли, а также низкая себестоимость энергии. Среди недостатков – сезонный фактор, визуальная дисгармония ветроэнергетических установок с окружающей средой, шум и электромагнитные помехи, негативное влияние на прохождение теле- и радиосигналов.

Гелиоэнергетика – энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, которая потребляется в виде тепловой либо преобразуется в электрическую.

В настоящее время применяется несколько типов солнечных энергоустановок:

1.Солнечные батареи, представляющие собой фотоэлектрогенераторы, работа которых основывается на явлении фотоэффекта – выхода электронов из атомов металлов под действием света. В солнечных батареях происходит прямое преобразование энергии излучения Солнца в электрическую. Наиболее вероятный материал для фотоэлектрических систем в настоящее время – кремний и арсенид галия.

2.Солнечные электростанции – система коллекторов, в каждом из которых солнечная энергия концентрируется и передается жидкости теплоносителю. Жидкость превращается в пар, который собирается от всех коллекторов в центральной энергостанции, где поступает на турбину энергогенератора, производящего электрический ток. Производимая в коллекторах тепловая энергия может использоваться непосредственно для целей отопления и горячего водоснабжения.

На гелиотермических электростанциях КПД преобразования солнечной энергии в электрическую составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии несопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Серьезная проблема - непостоянство солнечного излучения в течении суток, его зависимость от сезонов года. Для обеспечения круглосуточного энергоснабжения требуется аккумулирование энергии.

Потенциальные возможности гелиоэнергетики велики, однако, это очень материалоемкий и затратный вид энергетики. В Беларуси развитие этого вида энергетики сдерживают продолжительность солнечного сияния и неравномерное и нерациональное для получения энергии распределение солнечных часов по сезонам года. Целесообразным для условий страны расценивается пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов так называемой «солнечной архитектуры».

Таким образом, достоинствами солнечных энергоустановок являются неисчерпаемость источника и общедоступность, а среди недостатков можно выделить зависимость их работы от погоды и времени суток, необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли, необходимость аккумуляции энергии, высокая стоимость конструкции.

Гидроэнергетика - область наиболее развитой энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.

Альтернативная гидроэнергетика включает:

- малую речную гидроэнергетику, представленную гидроэлектростанциями небольшой мощности, создаваемыми на малых реках и водохранилищах.

- нетрадиционную гидроэнергетику, включающую небольшие электростанции, создаваемые на промышленных и коммунальных водосбросах.

- морскую гидроэнергетику, представленную приливными электростанциями (ПЭС), волновыми электростанциями, электростанциями, использующими энергию морских и океанических течений.

Гидроэнергетика использует запасенную потенциальную энергию, которая преобразуется в механическую или тепловую. На гидроэлектростанциях (ГЭС) происходит преобразование потенциальной энергии воды в электрическую.

Для стабильной работы ГЭС требуется водохранилище, служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины.

Основные параметры, от которых зависит мощность ГЭС, это – расход воды, т.е. количество воды, подаваемой на турбину в единицу времени, и напор-перепад между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата. Поэтому мощность ГЭС, количество и стоимость вырабатываемой ею электроэнергии в конечном итоге зависят от топографических условий в районе размещения водохранилища и ГЭС.

Наиболее сложные проблемы гидроэнергетики - ущерб, наносимый окружающей среде водохранилищами (уничтожение уникальной флоры и фауны, затопление плодородных почв, изменения микроклимата прилегающих территорий, потенциальная угроза землетрясений и др.), заиливание гидротурбин, их коррозия, большие капитальные затраты на сооружение ГЭС.

Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 1000 МВт. Однако практически реализуемый потенциал малых рек и водотоков Беларуси составляет только 10 % этой величины.

В связи с проведением мероприятий по комплексному возрождению и развитию малой гидроэнергетики Республики Беларусь основными направлениями являются:

- восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;

- сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах;

- строительство бесплотинных ГЭС на реках со значительным расходом воды.

В настоящее время проводятся работы по созданию каскада гидроэлектростанций на реках Западная Двина и Неман с целью повышения технического потенциала гидроэнергетических ресурсов в Беларуси.

Морская гидроэнергетика остается относительно малорентабельной. Важнейшей причиной ее затратности является разрушающее воздействие на оборудование соленой морской воды.

Приливные электростанции используют энергию приливных волн, возникающих как результат периодических колебаний атмосферного давления и уровня моря под воздействием сил притяжения Луны и Солнца. Наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. Высокие приливы у Берегов Канадского Арктического архипелага, в северо-западной части Тихого океана (Охотское море: Пенжинская губа). В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море и Баренцево море у берегов Кольского полуострова.

Главное преимущество ПЭС заключается в получении энергии из неисчерпаемого источника. При определении технических возможностей приливного потенциала Мирового океана представляют важность такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, сила волн и ветра. Для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5-6 м. Чаще такие условия возникают в узких заливах и эстуариях рек.

Огромным энергетическим потенциалом обладают океанические течения. Так, расход Гольфстрима в районе Флоридского пролива составляет 25 млн. м³/с., что в 20 раз превышает расход всех рек земного шара. После того как Гольфстрим уже в океане соединяется с Антильским течением, его расход возрастает до 82 млн. м³/с. Использование энергии морских и океанических течений является на сегодня гипотетическим видом энергетики, не выходящим за рамки отдельных теоретических разработок.

Биоэнергетика – энергетика основанная на использовании нетрадиционных видов органического топлива. Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Преобразование биомассы происходит в биоэнергетических установках

Биомасса – органические вещества биологического происхождения. Первичная биомасса – растения, непосредственно используемые для получения энергии. К ним относятся отходы сельского и лесного хозяйства. Вторичная биомасса – остатки переработки первичной биомассы веществ в результате их потребления человеком и животными или переработки в домашнем хозяйстве или промышленности. К ним относятся жидкий компост, навоз, жидкие стоки очистных сооружений.

Биоэнергетическая установка – энергетическая установка, преобразующая энергию биомассы, биогаза, и т. д. в другие виды энергии, например, в электрическую и тепловую.

Направления биоэнергетики:

- использование в качестве топлива растительных отходов (древесных, травянистых) – коры, стружек, опилок и др.

- производство и использование биогаза. Биогаз представляет собой смесь летучих газообразных веществ, получаемую путем микробиологического анаэробного разложения органических веществ растительного и животного происхождения;

- производство и использование биотоплива. Биотопливо — отходы сельскохозяйственного производства, пищевой и других видов промышленности, органическое вещество сточных вод и городских свалок — отходы, состоящие из биологического сырья — веществ биологического происхождения.

- использование в качестве топлива твердых бытовых отходов (ТБО) – бумаги, картона, текстиля, деревянных изделий, полимеров и др;

Посредством химических или биохимических процессов биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Продукты сгорания биотоплива путем естественных экологических или сельскохозяйственных процессов вновь превращаются в биотопливо. Система круговорота биомассы показана на рис.3.12.

- термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);

- биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная переработка, биофотолиз);

- агрохимические (экстракция топлива).

Получаемые в результате переработки виды биотоплива и ее КПДприведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Источники биомассы и производимые биотоплива

Потенциал биоэнергетики в Беларуси обуславливается развитием деревообрабатывающей и сельскохозяйственной отраслей, в которых образуется немало органических отходов. Сырьевым потенциалом для производства биогаза, являются отходы крупных животноводческих комплексов и птицефабрик, а также получение энергии из ТБО путем сжигания или газификации. Осуществляется производство биоэтанола из сельскохозяйственной продукции, дизельного биотоплива – из растительных масел, в том числе из масла рапса. Созданы проекты искусственных энергетических плантаций для выращивания биомассы и последующего преобразования биологической энергии (выработанные торфяные месторождения и др.)

В Беларуси создана программа мероприятий по развитию биоэнергетики, цель которой заключается в разработке микробиологических и химических технологий получения различных видов биотоплива и создание их производства в Республике Беларусь.

Геотермальная энергетика основывается на получении энергии за счет внутреннего тепла Земли. Валовый мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т.у.т. (условного топлива).

Различают естественную и искусственную геотермальную энергию. Естественная геотермальная энергия – энергия природных геотермальных источников. Искусственная геотермальная энергия – энергия, получаемая путем закачки в недра Земли воды либо других жидкостей или газообразных веществ.

Геотермальные ресурсы (горячая вода, пар, паровоздушная смесь) подразделяются на классы:

- низкопотенциальные – с температурой 20…100 ᵒС. Используется для теплотехнических нужд.

- среднепотенциальные – с температурой 100…150 ᵒС. Используется для теплоснабжения

- высокопотенциальные – с температурой более 150 ᵒС. Используется для выработки электрической энергии.

Геотермальные низко- и среднетемпературные «подземные котлы» с температурой до 150 °С используют в основном для обогрева и теплоснабжения: природную горячую воду подают к жилым, производственным, общественным зданиям, теплицам, оранжереям, водолечебницам и др. Термальные воды с особо высокой температурой выше 200 ᵒС, как правило, не находят применения из-за технических трудностей обращения с ними.

Водородная энергетика – энергетика основывается на использовании в качестве энергоносителя водорода и рассматривается как перспективный вид энергетики.

В мире созданы небольшой мощности электростанции, работающие на водороде. Водородные энергоустановки применяются на космических аппаратах. В экспериментальных целях начали применяться в автомобилестроении водородные двигатели.

Водородная энергетика неконкурентноспособна из-за высокой стоимости водородной энергии, вследствие затратности получения необходимых объемов чистого водорода. А также актуальным вопросом для водородной энергетики является ее безопасность, поскольку водород – взрывоопасный газ.