Альтернативные источники энергии. 33

  ВВЕДЕНИЕ.

  Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил. Её соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста.

  Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного  наращивания энерговооруженности  производства. Однако, человечеству в  последнее время постоянно не хватает энергии. Все чаще в газетах  и различных журналах встречаются  статьи об энергетическом кризисе.

  Если  в конце XIX века энергия играла, в  общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже  в 1930 году в мире было произведено  около 300 миллиардов киловатт-часов  электроэнергии. Сейчас в мире производится около 60 тыс. миллиардов кВт. час. Чтобы  добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую  вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время  растут, да и людей становится все  больше. Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно  разработали многочисленные способы  производства энергии, в первую очередь  электрической. Давайте тогда строить  все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько  понадобится!

  Такое, казалось бы, очевидное решение сложной  задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм.

  Вечные  двигатели, якобы производящие энергию  и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных  киловатт получаются, в принципе, тем  же способом, которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или  при использовании запасенной в  нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Правда, способы сжигания топлива  стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода  к энергетике.

  Предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК) являются источником более 48% загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу  в результате хозяйственной деятельности во всех отраслях экономики. А в промышленных выбросах доля предприятий ТЭК составляет около 60%.

  Негативное  воздействие предприятий ТЭК  на окружающую среду выражается не только в загрязнении природных  сред органическими и неорганическими  веществами, но также и в результате изъятия и деградации почв и земель из- за складирования и закачки  отходов, подтопления, подработки территорий, изменения сейсмотектонических  условий и др. Также всем известно, что запасы нефти, угля, газа не бесконечны. И срок их использования, по оценкам  разных специалистов, колеблется в  разных местах от тысячи до десятка  лет! Не такая уж блестящая перспектива  оставить потомков без энергетического  обеспечения. Особенно учитывая устойчивую тенденцию удорожания нефти и  газа. И чем дальше, тем более  быстрыми темпами. А уж о глобальном изменении климата приходится последние  несколько лет не только слышать  с различных трибун, но и ощущать  на себе, наблюдая скачки температуры  на градуснике. Все это привело  к более глубокому изучению и  использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). К ним относят энергию ветра, Солнца, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. Основное преимущество возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Но также эти источники энергии имеют и отрицательные свойства. Это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ.

  Первое  обстоятельство заставляет создавать  большие площади энергоустановок, перехватывающие поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных  установок, площадь ветроколеса, протяженные  плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой  материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с  традиционными энергоустановками.

  Но, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат. Например, нормальной солнечной  батарее не нужен ремонт несколько  десятков(!) лет. Эти качества и послужили  причиной бурного развития возобновляемой энергетики во всем мире и весьма оптимистических  прогнозов их развития в ближайшем  десятилетии.

  1.ПОЖИНАТЕЛИ  ВЕТРА.

  Различные виды НВИЭ находятся на различных  стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый  изменчивый и непостоянный вид энергии  – ветер. Особенно активно развивается  ветроэнергетика – 24% в год. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Во многих странах возникла новая  отрасль – ветроэнергетическое  машиностроение. По-видимому, и в  ближайшей перспективе ветроэнергетика  сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра  являются США, Германия, Нидерланды,

  Дания, Индия. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа.

  Например, в Дании 13% электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Половина ветровых турбин изготавливается именно в этой стране, отсюда их развозят по всему свету.

  Первые  разработки теории ветродвигателя относятся  к 1918 г. В.

  Залевский заинтересовался ветряками и  авиацией одновременно. Он начал создавать  полную теорию ветряной мельницы и  вывел несколько теоретических  положений, которым должна отвечать ветроустановка.

  В начале ХХ века интерес к воздушным  винтам и ветроколесам не был обособлен  от общих тенденций времени –  использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный  винт использовали для привода судовых  механизмов. На всемирно известном  “Фраме” (“Фрам” [фр. frum вперед] –  исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили  в движение насосы и якорные механизмы.

  В России к началу ХХ века вращалось  около 2500 тысяч ветряков общей мощностью  миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки  использовать энергию ветра уже  на научной и государственной  основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена  крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая  установка мощностью 100 кВт, а позднее  разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так  как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.

  Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась  местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США  к 1940 году построили ветроагрегат мощностью  в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать –  экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную  электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил  свой горестный опыт в прекрасной книге “Энергия ветра”, которая  не потеряла до сих пор своей актуальности.

  Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра  в крупномасштабной энергетике сороковых  годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились  удельные капитальные вложения на крупных  тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует  и низкие цены, и удовлетворительную экологическую чистоту.

  Существенным  недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его  можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько  десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной.

  При наличии других источников энергии  ветрогенератор может дополнять  существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

  1.1.УПРЯЖЬ  ДЛЯ ВЕТРА

  Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается  ветроколесо с лопастями, передавая  крутящий момент через систему передач  валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр  ветроколеса, тем больший воздушный  поток оно захватывает и тем  больше энергии вырабатывает агрегат.

  Принципиальная  простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

  Типы  ветродвигателей

  Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности  ветроагрегатов изображены на рис. 1. Они  делятся на две группы:

  1.ветродвигатели  с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные

  (1) и ортогональные (6)).

  2.ветродвигатели  с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);

  Типы  крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

  Рис1. Типы ветродвигателей

  Когда же размахи лопастей выросли, такая  компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер  дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать  агрегат по ветру, но и возникает  опасность разрушения лопастей.

  Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается  при действии потока воздуха перпендикулярно  к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического  поворота оси вращения. С этой целью  применяют крыло-стабилизатор. Карусельные  ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом  направлении ветра, не изменяя своего положения.

  Коэффициент использования энергии ветра  у крыльчатых ветродвигателей намного  выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей  намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных  агрегатов при нулевой относительной  скорости ветра.

  Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется  величиной скорости их вращения. Они  могут непосредственно соединяться  с генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей  обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством  лопастей больше трех практически не используются.

  Карусельные

  Различие  в аэродинамике дает карусельным  установкам преимущество в сравнении  с традиционными ветряками. При  увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные  ветродвигатели тихоходны и это  позволяет использовать простые  электрические схемы, например, с  асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем “откуда дует ветер”, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

  Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации.

  Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование  максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается  скорость вращения и возрастает вращающий  момент вплоть до полной остановки.

  Ортогональные. Ортогональные ветроагрегаты, как  полагают специалисты, перспективны для  большой энергетики. Сегодня перед  ветропоклонниками ортогональных  конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

  В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и  в дозвуковом самолете (см. рис. 1. (6)). Самолет, прежде чем “опереться”  на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала  к ней нужно подвести энергию  – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже  потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

  Отбор мощности начинается при скорости ветра  около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование  в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В  реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

  У мощного ветродвигателя большие  размеры. Однако можно обойтись и  малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным  преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

  Неожиданные проявления и применения. Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Появление экспериментального ветродвигателя на

  Оркнейских  островах (Англия) в 1986 году вызвало  многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов. В  итоге около ветростанции был  построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины  были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает  радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них  металлические полоски, предназначенные  для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый  сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и  создавал на экранах помехи.

  Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала  безотказно, но вызывала нарекания  жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла, и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться. Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию. Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой – однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями (рис.3). Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре. На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

  [pic]

  Рис.3. Однолопастной карусельный двигатель

  2.ЭНЕРГИЯ  СОЛНЦА.

  Проблема  утилизации экологически чистой и притом «дармовой солнечной энергии  волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в  этом направлении позволили начать формировать реальный, развивающийся  рынок солнечной энергетики. К  настоящему времени основными способами  прямой утилизации солнечной энергии  являются преобразование ее в электрическую  и тепловую. Устройства, преобразующие  солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими, а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, - термическими. В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы, сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования в автономном режиме, без подключения к централизованным энергосистемам. В литературе все три типа приборов называются гелиосистемами. Сейчас, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

  2.1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

  Существует  два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального  вопроса снабжения энергией и  создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач.

  Эти преобразователи, в свою очередь, также  делятся на две группы; высокотемпературные  и низкотемпературные.

  В преобразователях первого типа солнечные  лучи концентрируются на небольшом  участке, температура которого поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для  плавки металлов

  (см. рис. 4.)

  Рис.4.Высокотемпературный гелиостат

  [pic]

  Самая многочисленная часть солнечных  преобразователей работает при гораздо  меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают  воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят  пищу. Сконцентрированным солнечным  теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

  Солнечные установки практически не требуют  эксплуатационных расходов, не нуждаются  в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание  в чистоте. Работать они могут  бесконечно.

  2.2.КОНЦЕНТРАТОРЫ  СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

  С детства многие помнят, что с помощью  собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении.

  Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью  вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью  вогнутого зеркала. Если в фокус  зеркала поместить трубу с  водой, то она нагреется. Таков принцип  действия солнечных преобразователей прямого действия.

  Наиболее  эффективно их можно использовать в  южных широтах, но и в средней  полосе они находят применение. Зеркала  в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного  алюминия. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. 6) имеют форму:

  1.цилиндрического  параболоида (а);

  2.параболоида  вращения (б);

  3.плоско-линейной  линзы Френеля (в).

  [pic][pic][pic]

  Рис. 5. Формы концентраторов солнечной энергии

  Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в

  Калифорнии  использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с  теплоносителем – дифенилом, нагреваемым  до 350°С. Желоб поворачивается для  слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские  гелиостаты). Это позволило упростить  систему слежения за солнцем. Солнечная  энергия может непосредственно  преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель  Стирлинга. Если в фокусе параболического  зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать  с глубины 20 метров 2 мі воды в час.

  В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко  из-за ее высокой стоимости.

  Рис.6. Солнечный водонагреватель

  [pic]

  Водонагреватель. Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

  Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°.

  КПД установки – 40%.

  Тепловые  концентраторы. Каждый, кто хоть раз  бывал в теплицах, знает, как резко  отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней  выше. Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении  тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.

  Это – деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной стороны  закрытые одинарным или двойным  стеклом. Внутрь короба для максимального  поглощения солнечных лучей вставляют  волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается  воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или  насоса.

  2.3.ЖИЛОЙ  ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ

  Среднее за год значение суммарной солнечной  радиации на широте 55°, поступающей  в сутки на 20 мІ горизонтальной поверхности, составляет 50-

  60 кВт/ч. Это соответствует затратам  энергии на отопление дома  площадью

  60 мІ .

  Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном  коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с  жидкостным очевидны:

  - нет опасности, что система  замерзнет;

  -нет  необходимости в трубах и кранах;

  - простота и дешевизна.

  Недостаток  – невысокая теплоемкость воздуха.

  Конструктивно коллектор представляет собой ряд  застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена  матовой краской, не дающей запаха при  нагреве. Ширина короба около 60 см. В  части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному  варианту. Он много проще в строительстве  и дальнейшем обслуживании. По сравнению  с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется  уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

  Плоский коллектор, помимо прямой солнечной  радиации, воспринимает рассеянную и  отраженную радиацию: в пасмурную  погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально  имеем в средней полосе. Плоский  коллектор не создает высокопотенциальной  теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления  этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается  на фасаде, ориентированном на юг (допустимо  отклонение до 30° на восток или на запад).

  Неравномерность солнечной радиации в течение  дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный  день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает  тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором  наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве.

  Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор  с помощью вентилятора.

  Для дома, площадью 60 мІ , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 мі . Разброс определяется качеством исполнения элементов  гелиосистемы, теплоизоляцией, а также  режимом солнечной радиации в  конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех  режимах

  (рис. 7. а-г):

  – отопление и аккумулирование  тепловой энергии (а);

  – отопление от аккумулятора (б);

  – аккумулирование тепловой энергии (в);

  – отопление от коллектора (г).

  В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается  и через отверстия у потолка  поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни  горячий воздух забирается из верхней  зоны коллектора и с помощью вентилятора  прокачивается через гравий, заряжая  тепловой аккумулятор. Для ночного  отопления и на случай пасмурной  погоды воздух из помещения прогоняется  через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.