Альтернативные источники энергии. 8

Содержание.

Введение…………………………………………………………………….3

1. Определение проекта…………………………………………………....4

2. Оценка конкуренции и рынка  сбыта продукции…………………..…..6

3. Технологическая часть…………………………………………………...8

3.1 Солнечная энергия……………………………………………………....8

3.2 Энергия биомассы……………………………………………………...14

3.3 Геотермальная энергия………………………………………………...19

3.4 Энергетические ресурсы морей и океанов………………………...…24

4. Технологическая и коммерческая характеристика продукции……....27

5. Технология производства……………………………………………….30

5.1 Солнечные батареи………………………………………………….…30

5.2 Гидроэлектростанции………………………………………………….35

5.3 Ветрогенераторы……………………………………………………….39

5.4 Тепловые насосы……………………………………………………….42

Заключение………………………………………………………………..49

Библиографический список……………………………………………...51

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Жилье человека появилось как укрытие от его врагов и – непогоды. Росли потребности человека, усложнялась типология его построек, архитектурные стили сменяли друг друга, и оказалось, что мы забыли о первоначальной функции архитектуры – формировать комфортную и безопасную для труда и отдыха среду. Среду искусственную, но остающуюся в гармонии с природой

В наши дни человек среднего достатка – по Европейским меркам -  полжизни работает на то, чтобы купить дом,  а другую половину – на то, чтобы оплатить расходы на его содержание. При нынешних темпах добычи дорожающие нефть, газ и уголь иссякнут через 50-100 лет, и наши северные города, вероятно, превратятся в мертвые каменные джунгли, если их раньше не затопят растаявшие ледники.

Сегодня в развитых странах здания потребляют почти половину расходуемой энергии. Для ее производства используют огромные объемы невосполнимых природных ресурсов – угля, нефти и газа, разогревая атмосферу Земли и сокращая пригодную для обитания человека среду. Но «модерновые» офисные «башни», торговые центры, многоэтажные жилые «пластины» и «таунхаусы» мегаполисов, требуя все больше энергии, не позволяют человеку снизить ее потребление до разумных пределов. Выход - в пересмотре профессиональных подходов к проектированию застройки, в формировании социального заказа общества на экологическую архитектуру.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Определение проекта

 

Учёные всего мира не дремлют. Днём и ночью идёт кропотливый мыслительный процесс, оплотом которого являются проблемы создания альтернативных источников энергии. Стоит сказать, что за последние тридцать лет мировая наука в этом направлении достигла определённых положительных результатов. Конечно, решать глобальные энергетические вопросы альтернативные источники энергии пока не в состоянии, но локальные энергетические потребности компенсировать вполне могут. Например, альтернативная энергетика нашла широкое применение при строительстве энергоавтоновмных эко домов.

Наибольшее значение имеют система  электроснабжения. В экодомах она решена путём четырёх альтернативных систем получения энергии. Во-первых, это установка «солнечных батарей» из фотоэлектрических панелей, которые крепятся на крышах. Днём батареи вырабатывают энергию. Часть энергии расходуется, а часть остаётся в аккумуляторных батареях для ночных нужд.

Во-вторых, путём установки солнечных  коллекторов. Это специальные приспособления, которые способны захватывать энергию  солнца исключительно физическим путём, передавать её циркулирующей жидкости, которая в свою очередь способна нагревать бак с водой в доме. Есть два вида солнечных коллекторов - плоский и вакуумный. Второй вид очень эффективен в зимнее время. Солнечные коллекторы относятся к системе пассивного отопления дома. Не происходит ровным счетом никаких дополнительных действий со стороны хозяев. Просто изначально архитекторы спроектировали дом так, что конструктивные элементы здания способны самостоятельно улавливать энергию солнечного света.

 

 

В-третьих, возле экодомов могут  устанавливать ветроэнергетические  установки. Они эффективны в регионах, где круглогодично наблюдаются ветра определенной силы и интенсивности.

 Поэтому в тихих и умеренных  местах ветрогенераторы используются  меньше.

В-четвертых, возле экодомов могут  устанавливаться миниГЭС, конечно, если рядом течёт речушка или ручеёк. Энергии от такой установки вполне хватит, чтобы подсветить иллюминацию на приусадебном участке или фонарь над мостиком через речку.

Не менее значима канализационная  система дома. В экодоме в этом вопросе сплошные преимущества. Обычно стоки отводятся от дома в очистные сооружения, там подвергаются химической и механической обработке, после чего сбрасываются в реки, а затем вновь к нам в водопроводный кран. В экодоме стоки не накапливаются. Специальные бактерии, которые запускаются в соответствующий резервуар, способны полностью уничтожить стоки и превратить их в отличное органическое удобрении. Оно потом пригодится на приусадебном участке.

Вопросы вентиляции решаются в экодоме  сами по себе. Во-первых, стены в экодоме  дышащие. А, во-вторых, в качестве приточной вентиляции отлично работает открытая форточка.

Вопросы отопления в экодоме  также решаются самостоятельно. Стены состоят из материалов, которые обладают максимальными теплоизоляционными свойствами (прессованные блоки из соломы и прочее). Опыт показывает, что даже в лютый мороз будет достаточно забросить в камин два полена или включить хороший калорифер. Тёплый воздух в доме появиться способен, а вот улетучиться нет.

 

 

 

2. Оценка конкуренции  и рынка сбыта продукции

 

Давайте посмотрим, как строится традиционный кирпичным дом, и как распределяются расходы при строительстве. Планово-экономическая служба любого проектного института вам расскажет, что на возведение несущих конструкций затрачивается 20 % расходов, на отделочные работы - 70 % и на возведение инженерных систем жизнеобеспечения - порядка 10 %. Последний пункт выглядит не очень затратно на общем фоне, однако именно инженерные системы при эксплуатации дома имеют наибольшее значение для жильцов. И ломаются они часто, и квартплата платится в основном за их обслуживание и стоимость ресурсов, которые перемещаются по ним до потребителя. В концепции экодомов авторы исключили такой традиционный элемент, как внешние коммуникации. Тем самым они избавили жильцов от необходимости вносить ежемесячную оплату за использования электричества и тепла.

По данным Российского агентства международной информации «РИА Новости» можно отследить тенденции развития электроэнергии по источникам энергии (рис. 2)

 

рис. 2 «Мировое производство электроэнергии по источникам энергии»

 

 

 

 

 

Отследив динамику энергопотребления  за последние 200 лет, можно сделать  вывод: потребление энергии на душу населения многократно выросло за последние два века, а растущий спрос в подавляющем большинстве случаев удовлетворялся за счет ископаемых энергоресурсов, а не альтернативной энергетики. Но в будущем ситуация должна измениться, так как ресурсы традиционных источников энергии ограничены. (рис. 3)

 
рис. 3 «Динамика энергопотребления  за последние 200 лет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Технологическая часть

3.1 Солнечная энергия

 

Солнце - неисчерпаемый  источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в  несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время  интерес к проблеме использования  солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего  лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности  мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

 

 

 

Доказано, что в высоких  широтах плотность солнечной  энергии составляет 80-130 Вт/м², в умеренном поясе – 130-210, а в пустынях тропического пояса - 210-250 Вт /м².

Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования  солнечной энергии существуют в  развивающихся странах Африки, Южной  Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

рис. 4 «Распределение плотности  солнечного излучения на Земле»

Количество энергии, падающей на единицу  площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

Широта;

местный климат;

сезон года;

угол наклона поверхности  по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что  количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического  положения и времени года (рис. 4). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов)

 преобразовывание  солнечной энергии в электрический  ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Проще всего использовать энергию Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение  в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ  в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т.у.т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50-60 млн м², что обеспечивает получение 5-7 млн т.у.т. в год. В Европе к концу 2000 г. было построено около 11,7 млн м² коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли.

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня  практически не распространены. Это  связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии. Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование СВУ 3-6 месяцев в год(в зависимости от региона) экономически выгодно.

На данный момент используется несколько методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей. (ФЭП).

 

рис. 5 «Схема преобразования солнечной энергии в электричество  с помощью ФЭП»

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все  быстрее набирает обороты. Суммарная  мощность установленных в мире ФЭП  в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным  толчком для развития ФЭП в  мире является принятие национальных программ в разных странах («100 тысяч  солнечных крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных крыш» в Японии, «1 млн. солнечных крыш» в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.

рис.6  « Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей».

На данный момент в  мире работают тысячи фирм, производящих различные установки с ФЭП, но только десятки из них, в том числе в России, умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России ведутся работы по усовершенствованию ФЭП и развертыванию их промышленного производства. Так, например, ООО «Солнечный Ветер» сотрудничает более чем с 10 странами. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, существует один существенный фактор сдерживающий распространение  ФЭП. Это высокая стоимость электроэнергии, производимой ФЭП. Дороговизна обусловлена высокой стоимостью технологического процесса и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты). Поэтому по всему миру ведутся исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП.

Сейчас самым перспективным  направлением является внедрение в  ФЭП концентраторов солнечного излучения. Россия и США – те страны, в  которых исследования в этой области  проводятся наиболее интенсивно.

Схема подключения солнечных батарей. Устройство солнечной батареи.

рис. 7 «устройство солнечной батареи»

Данная схема (рис. 7) показывает устройство солнечной батареи и принцип работы современного оборудования для получения электроэнергии от солнца. Принцип весьма несложный, на первый взгляд. Солнечные лучи попадая на солнечные батареи трансформируются в привычный нам электрический ток (постоянный, переменный), который либо используется в режиме реального времени по назначению, либо аккумулируется для дальнейшего использования. Излишки энергии, полученные в светлое время суток запасаются для применения в темное время. Современное оборудование позволяет получать ток даже в пасмурные дни, когда нет прямых лучей солнца. Данная схема подключения солнечных батарей наглядно демонстрирует это. Для преобразования солнечной энергии в электрическую  кроме самых батарей используются инвертор, контроллер и аккумуляторы.

Во многих странах мира существуют программы, которые позволяют продавать излишки электроэнергии, что позволяет кроме обеспечения собственного хозяйства, еще и зарабатывать.

 

 

 

 

 

 

3.2 Энергия биомассы

 

По данным Associated Press энергия, вырабатываемая за счет биомассы, составляет около 12 % в мировом энергетическом балансе, однако официальной статистикой не учитывается биомасса, не являющаяся коммерческим продуктом, но используемая для энергетических нужд. В европейских странах, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, однако в таких странах, как Австрия, Швеция, Финляндия использование энергии биомассы доходит до 23%.

В энергетических целях  энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Примерная схема получения энергии из биомассы представлена на рисунке 8. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение  получило производство спирта.

рис. 8 « Схема получения  энергии из биомассы»

 

 

Одно из наиболее перспективных  направлений энергетического использования  биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м³ .  Например, опыты показывают, фермер, имеющий посевы рапса и рапсовое масло, может быть независимым от поставок моторного топлива .

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.

Помимо первичной растительной биомассы, значительным энергетическим потенциалом обладают отходы животноводства, промышленные отходы и твердые бытовые отходы (ТБО).

Мусороперерабатывающие  фабрики либо сжигают ТБО, либо газифицируют их. Навоз и жидкие бытовые стоки  являются основным сырьем от животноводства, которое перерабатывается в биогаз.

рис. 9 « Схема устройства биогазовой установки»

 

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12  куб. м  метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома  злаковых  культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника,  из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза  из органических отходов дает возможность  решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров  переработки сельскохозяйственного  сырья.

Широкое распространение  энергия биомассы получила в развивающихся  странах. Так большинство из них расположено на территории Азии, Африки и Южной Америки.

рис. 10 « Использование биомассы в качестве источника энергии в мире»

В России образуется около 60 млн. т ТБО, примерно 130 млн. т отходов  животноводства и птицеводства, около 10 млн. т сточных вод ежегодно.

Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т.у.т. Но используется лишь малая часть его. В этом направлении надо вести  большую работу. Потому что, помимо пополнения запасов энергии, решается еще одна серьезная проблема России – экология. Ведь при переработке отходов мы сокращаем количество мусорных свалок и долин.

Определенных успехов  достигли отечественные ученые в  области переработки жидких городских  стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производится очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы – метантенки. Этот метод переработки отходов начали повсеместно внедрять во многих городах России.

В основе биохимической  переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70 % метана и 30 % диоксида углерода.

В данный момент в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр

«ЭкоРос». С 1997 года по документации ЗАО Центр «ЭкоРос» освоено производство таких установок в Китае в  г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии. Всероссийский Институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разрабатывает биоэнергетические установки для свиноферм;. ЗАО ВНИКОМЖ (Всероссийский Институт комплексной механизации животноводства) –создает биоэнергетические установки (БЭУ) для птицеферм и фабрик. Кафедра химической энзимологии МГУ им. Ломоносова создает технологию переработки супержидких стоков.

С одной стороны Россия уже достигла серьезных успехов  в области получения энергии  из биомассы и промышленных отходов, но в то же время, нельзя останавливаться на достигнутом, потому что энергетический потенциал биомассы колоссален.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Геотермальная энергия

 

Энергетика земли  (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Так, например, маленькая европейская страна Исландия - "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли.

Геотермальная энергия  – это энергия, получаемая за счет физического тепла глубинных  слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха  на поверхности. Носителями этой энергии  могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м². Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2–3К/100м. Но в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100^о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

рис. 11 «Схема разреза  Альпийского нагорья с наличием геотермальных электростанций»

Считается, что если температура  в геотермальном месторождении  превышает 100^о С, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).

На данный момент общая  мощность всех действующих в мире ГеоЭС близится к 10 ГВт(э). Общая мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт(т).

Россия чрезвычайно богата на запасы геотермальной энергии. По данным ИНЭИ РАН, они в10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30^о до 200^о С. На сегодняшний день на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые можно использовать для локального теплоснабжения при помощи высоких технологий на всей территории России. Так как скважины уже пробурены, геотермальная энергия, получаемая за счет них, будет экономически выгодной.

рис. 12 «Технический потенциал  использования геотермальной энергии  в России»

В России наиболее перспективным  регионом для строительства ГеоЭС  является Камчатка, располагающая уникальными  геотермальными месторождениями. Там  действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт(э), а также Кавказ. В 1999г. введены  в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт(э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт(э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж. 

Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных  комплексов и т.п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого

 

 современного теплообменного  оборудования.

В России большое количество запасов термальных вод с довольно невысокой температурой, недостаточной  для непосредственного теплоиспользования. Особый интерес представляет и тепло поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год остается практически неизменной и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.