Возобновляемые источники энергии. Энергия солнца. Возможности использования в России и на Урале

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение

 ВПО «Уральский  федеральный университет имени  Первого Президента 

Российской Федерации  Б.Н.Ельцина»

 

Кафедра «Энергосбережения»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Возобновляемые источники  энергии. Энергия солнца. Возможности использования в России и на Урале

 

 

 

 

           Преподаватель       __________________         В.Ю.Балдин

 

                                          Студент              __________________        Е.А. Шиляева

гр. МТ-301501 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………........              2

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ……………………………………….              4

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  В РОССИИ И НА УРАЛЕ        5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ  ………………………………………………………..…….              11

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………..……...             12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В последние  годы крайне популярно  стало понятие  «возобновляемые  источники энергии (ВИЭ)». Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических. 

Энергетический кризис 1973-1974 годов  в капиталистических странах  показал, что трудно постоянно наращивать энерговооруженность производства, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил.  Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, альтернативные источники энергии.

В отличие от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

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.

Каковы же эти нетрадиционные и  возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн,  биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды.

Основной фактор при оценке целесообразности использования возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии.

         

 

 

 

 

 

 

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ  ЭНЕРГИИ

В середине прошлого века основой  мировой энергетики, особенно энергетики промышленно развитых стран, являлось углеводородное топливо – нефть  и газ. Однако череда ближневосточных кризисов показала угрозу ориентации на импортируемые энергоресурсы для энергетической безопасности многих стран. Это привело к пересмотру приоритетов развития энергетики, в частности, к активной поддержке исследований в сфере ВИЭ – возобновляемых источников энергии.

В основе использования ВИЭ –  возможность извлечения энергии  из постоянно происходящих в природе  процессов, а не из уничтожаемых в  процессе производства энергии материалов. Солнце, ветер, дождь, приливы и отливы, гейзеры, течение рек, появление в процессе жизнедеятельности человека органических и неорганических отходов – все эти явления существуют в природе и продолжат существовать вне зависимости от того, будет человек извлекать из них энергию или нет.

Увеличение роли возобновляемых источников энергии и децентрализация ее производства – признанные тренды развития энергетики в XXI веке. Несмотря на большие запасы в России традиционных энергоресурсов и ориентацию энергетики на их использование потенциал ВИЭ в нашей стране также велик. В условиях нашей страны ВИЭ способны решать проблемы устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного (например, в районах Крайнего Севера) или ненадежного централизованного (в дефицитных энергосистемах) энергоснабжения.

В мире уже наработаны эффективные  способы стимулирования развития ВИЭ, позволяющие перейти от единичных  проектов к их массовому тиражированию. Для этого необходимо создать  благоприятный экономический режим  производителям и потребителям оборудования, использующего ВИЭ, обеспечить свободный доступ на рынок электроэнергии, создать режим льготного присоединения к электрической сети, обеспечить государственную поддержку программ научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). В России же до сих пор не запущен механизм господдержки, даже предусмотренный Законом об электроэнергетике и особым Постановлением Правительства РФ.

 

 

 

 

 

 

 

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА. ВОЗМОЖНОСТИ  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РОССИИ И НА УРАЛЕ   

В последнее время интерес к  проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% этого количества 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 огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.

Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м . Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 м . Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый ) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км , требует примерно 10 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в                    1,17*10 тонн.

Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять  не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года ) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1*10 до 3*10 км . В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*1010 км . Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов.

В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. Пока еще электрическая  энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем  получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт/ч энергии–7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы – солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной “кандидатурой” является водород.

Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня – направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3-5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

Можно ли использовать энергию солнца в энергоснабжении жилых зданий, расположенных в средней полосе России?

Долгое время в нашей стране считалось, что солнечные установки  целесообразны только в регионах с жарким климатом. Однако опыт использования  их в таких местностях, как Аляска, Канада, Норвегия, Северная Америка, близких  по климатическим условиям, показывает, что их можно применять и в нашей средней полосе, в частности в Московской области. Московская область размещена на Восточно-Европейской равнине в зоне перехода от Смоленско-Московской возвышенности до Мещерской низменности. Переходное положение между разными природными районами создает в области значительные перепады высот на местности. Природно-климатических условий достаточно для круглогодичной эксплуатации энергии солнца.

Различные строительные приемы использования  возобновляемых источников энергии  как в реконструируемых зданиях, так и при новом строительстве  дают такую возможность. Надо только правильно их использовать.

В 60-70-х гг. в нашей стране предпринимались  шаги по использованию нетрадиционных видов энергии. В это время появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения, прекрасно зарекомендовавшие себя в космосе. Экономические осложнения, возникшие в 90-е годы, затормозили развитие использования нетрадиционных видов энергии в нашей стране. Однако сегодня и в нашей стране НВИЭ получают все большее распространение.

Солнечная энергия используется в  основном для производства низкопотенциального  тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Общемировое производство низкопотенциального тепла в ближайшей перспективе составит 5*106 Гкал. Мировая суммарная мощность фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

Создание законодательной базы использования НВИЭ в России стимулирует  дальнейшее развитие. Законом «Об энергосбережении» 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих гелиоустановок. Государственной Думой и Советом Федерации принят закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. В России на сегодня есть все предпосылки для его дальнейшего развития. С выходом из кризисного экономического состояния станет возможным развитие промышленности, научно-технической базы и др. деятельности. Как и во всем мире, рост использования этих источников необратим.

Экологическая ситуация требует от архитекторов и строителей нового мышления. Современная энергетика, ставшая  сегодня традиционной, в зависимости от вида энергоносителя в целом, оказывает отрицательное воздействие на экологию окружающей среды. Хотя бы в области энергоснабжения зданий и городов необходимо принимать решения, позволяющие эффективно использовать возобновляемые ресурсы.

Анализ публикаций, в частности материалов Internet, показывает, что энергетические потребности в энергии во всем мире стимулируют разработку приемов по использованию возобновляемых источников энергии четвертого поколения. Такие приемы при меньших затратах на монтаж и оборудование позволяют эффективно эксплуатировать солнечные установки для энергообеспечения зданий.

Среди разработок можно выделить два  главных направления, которые следует  учитывать:

1) Разработка и применение солнечных  энергоустановок с ограниченным  уровнем мощности для энергоснабжения мелких автономных потребителей;

2) Создание солнечных энергетических  станций ограниченной мощности  в северных районах (типа Аляски). Это может радикально решить  проблему использования возобновляемой  энергии в масштабах, ощутимых в мировом энергобалансе.

Как может осуществляться альтернативное использование солнечной энергии  при эксплуатации зданий? Рассмотрим несколько основных положений:

- солнечная энергия — воздействие  солнечной радиации на здание  или воспринимающие поверхности. Для восприятия солнечной энергии необходима ориентация воспринимающих плоскостей на южную сторону, т.е. наиболее эффективно широтное расположение жилых домов;

- пассивное использование солнечной  радиации возможно за счет  восприятия и отдачи энергии при прямом улавливании лучей через остекленные проемы (окна, витражи, витрины) и косвенном, за счет массивов стен, крыш, ограждений зимних садов и т.п.;

- активное использование солнечной  радиации возможно за счет  восприятия и передачи энергии  специальными устройствами - гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическими установками наземного использования и т.п.;

- возможно устройство энергоактивных  пристроек к реконструируемому  зданию, конструкции и формы которых  предназначены для создания оптимального восприятия солнечной энергии;

- устройство интегрированных систем, использующих энергию солнца  в различном временном сочетании,  позволяет с большей эффективностью  использовать альтернативную энергию  в организации жилой среды; 

- архитектурное и конструктивное решение гелиоэнергоактивного (своими формами и конструкциями способного воспринимать солнечную энергию) здания зависит от технологии использования гелиосистем. Пластика решения фасадов определяет максимальную эффективность улавливания солнечных лучей;

- энергоактивные здания с интеграцией  систем, воспринимающих энергию  солнца, позволяют значительно повысить  эффективность гелиосистем для  климатических условий средней  полосы России.

Каковы же основные принципы, которых  следует придерживаться при проектировании или реконструкции здания с возможностью использования строительных приемов альтернативного энергоснабжения?

Прежде всего, необходимо учитывать  климат региона и метеоусловия конкретной местности строительства, условия  освещенности солнечными лучами гелиополя. Проект обязательно должен учитывать условия энергосбережения, оптимального восприятия зданием солнечных лучей;

- энерговоспринимающие части установок  необходимо правильно ориентировать  с учетом максимальной эффективности; 

- при проведении строительства и реконструкции жилых зданий с последующим использованием в них альтернативного энергообеспечения необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери которого сведены к минимуму за счет оптимального объемно-планировочного решения и усиленной теплоизоляции. Предполагается экологический подход к созданию жилой среды;

- рекомендуется интегрированное  использование солнечных установок  с подключением электрогенерирующих  установок к электросети для  сброса избыточной энергии и забора недостающей, т.е. предусматривать дублирующую систему;

- развитие серийного производства, упрощение конструкции альтернативных  систем может значительно снизить  себестоимость энергии от альтернативных  систем;

- при проектировании солнечных  систем для работы в климатических условиях средней полосы России- необходимо стремиться к углу наклона гелиоколлектора 700 и возможности корректировки угла 2 раза в год в зависимости от летне-зимнего периода (400 — летом и 700 — зимой).

Ярким уральским примером стал дом, построенный в поселке Растущий Белоярского района. Специалисты УРФУ, занимающиеся изучением природной энергии, создали его сами для себя. Из заброшенного коровника получился комфортабельный красивый дом общей площадью 2400 м . 25% энергии для нужд дают ветряк мощностью 4 кВт и солнечные батареи.

«В условиях Урала солнечную энергию целесообразно использовать там, где нет других источников питания, – говорит преподаватель кафедры электротехники Игорь Витальевич Кирпичников. – Пока это дорогое удовольствие». За 1 Вт нужно будет заплатить от $ 2 до 8, а за 1 кВт соответственно $ 8000. Здесь предстоят и другие траты: солнечную батарею необходимо будет оснастить аккумулятором, чтобы энергия именно накапливалась и была, так сказать в наличии, когда темно. К тому же, каждый электроприбор нужно обеспечить преобразователем напряжения, т.к. электроток из солнечных батарей получается постоянный. В общем, для Урала использование солнечных батарей скорее получается как дополнение к основному источнику энергии.

В санатории “Обуховский”, расположенном  в Свердловской области, испытываются энергосберегающие технологии для  последующего их внедрения. Для нагрева  минеральной воды в питьевом бювете был установлен солнечный коллектор.

В состав солнечного коллектора входят: солнечные панели, бак-аккумулятор с теплообменником внутри, насосная группа, блок управления (микропроцессор), расширительный бак и система трубопроводов по двухтрубной схеме: антифриз (до -600°С) – минеральная вода.

Солнечная установка смонтирована с целью испытать подобные технологии в условиях Свердловской области, а также определить целесообразность их установки на Урале. Исследование проводилось по заказу министерства энергетики и ЖКХ ГБУ СО “Институт энергосбережения” и НПФ “Энтальпия”. Во время испытаний тепловая мощность солнечного коллектора достигала 7,32 кВт и снижалась при прохождении облаков до 2,43 кВт. По заключению экспертов, пилотный проект удался, но необходимо круглогодичное испытание. В случае удачного завершения эксперимента подобные установки появятся в ряде бюджетных предприятий области. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Потенциал возобновляющихся энергоресурсов, питающихся энергией солнца и возникающих  вследствие взаимодействия Земли, Луны и Солнца, огромен. Были разработаны различные технологии по извлечению и использованию их энергии, которые непрестанно совершенствуются, что повышает конкурентоспособность возобновляемых источников энергии по сравнению с традиционными. Большинство возобновляемых источников энергии являются экологически чистыми, что сегодня является явным преимуществом. Биомасса и энергия ветра уже сейчас играет немало важную роль в энергетическом балансе некоторых стран. Проекты по использованию энергии волн и преобразовании термальной энергии океана большей частью находятся на стадии разработки, и их использование ограничено несколькими экспериментальными установками. Энергия приливов уже сейчас используется на коммерческом уровне и обещает серьезное развитие.

Будущее возобновляемых источников энергии, обсуждаемых здесь, зависит от ряда факторов: рост энергопотребления, рост численности населения, цены на ископаемое топливо, общественное мнение по поводу развития атомной энергетики, экологические вопросы и множество других.

Выводы

1. Bo всем мире наблюдается стремительный рост интереса к фотоэнергетике, которая в ближайшие годы может превратиться в процветающую отрасль промышленности.

2. Основным материалом для изготовления  СЭ в настоящее время и в  перспективе является кристаллический  кремний.

3. Перед промышленно развитыми  странами встает проблема снижения  стоимости кремния - сырца ниже 20 долл/кг и создания специализированного  производства кремния для фотоэнергетики  объемом 10 000 т/год.

4. Технический потенциал России  позволяет ей занять одно из ведущих мест на мировом рынке продаж солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических систем.

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы  углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно.

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электронная энциклопедия. Режим доступа: http://www.wikipedia.ru
2. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Зайцев С.В., Муругов В.П., Пузаков В.Н. "Возобновляемая энергия" "Вестник энергосбережения Южного Урала". Июнь, 2002.
3. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России, 2007.