Альтернативные источники энергии.

Содержание


Введение
1. Физико-технические основы альтернативной энергетики
1.1 Общее строение АИЭ
1.2 Солнечные АИЭ
1.2.1 Фотоэлектрические АИЭ.
1.2.2 Термовоздушные ("циклонные") АИЭ.
1.2.3 Солнечные аэростатные электростанции.
1.3 Ветровые АИЭ
1.3.1 Современное состояние
1.3.2 Перспективные проекты
1.4 Приливные АИЭ
1.5 Геотермальные АИЭ
1.6 Волновые АИЭ
1.7 Технологии низкопотенциальных АИЭ
1.7.1 Устройство теплового насоса
1.7.2 Источники низкопотенциальной энергии
1.7.3 Системы АИЭ с тепловыми насосами
2. Применение принципов АИЭ в городской квартире
2.1 Утилизация низкопотенциального тепла
2.2 Альтернативные источники энергии
Заключение
Источники информации

Альтернативные источники энергии.

Энергия потока движущегося воздуха пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Теоретическая эффективность использования энергии воздушного потока близка к 60 %. Реальная эффективность близка к 50 %, при оптимальной скорости, предусмотренной конструкцией ветроагрегата. Преобразование механической энергии в электрическую сейчас происходит с КПД около 80 %. Таким образом, итоговая эффективность этих АИЭ около 30%.
Принцип устройства простейших ветровых АИЭ подобен устройству обычной ветряной мельницы: ветряное колесо приводит в движение электрический генератор, который одновременно заряжает батарею параллельно соединенных аккумуляторов. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору, когда напряжения на его выходных клеммах становится выше его снижении.
В современных ветроагрегатах, способных эффективно работать при малом ветровом напоре шаг лопасти винта автоматически регулируется. Т.о. постоянно достигается самое эффективное использование энергии ветра, а при слишком большом ветровом напоре лопасть автоматически превращается во флюгер.
В настоящее время при создании ветряных "ферм" и "кластеров" наибольшее распространение во всех странах, в том числе и в России, получила конструкция ветрового агрегата с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, с высотой мачты порядка 15 – 150 м, и диаметром ротора порядка 10 – 90 м (см. Рис. 4).
Рис. 4. Ветряная ферма.
Такая высота затрудняет обслуживание и ремонт. В экстренных ситуациях, например, при пожаре, вызванном попаданием молнии в мачту, тушение пожара практически невозможно.
Недостаток решения в виде ферм и кластеров: огромные территории каждой фермы (тысячи гектаров), дорогое обслуживание. Например, ветряная ферма Сан Горгонио Пасс в Калифорнии, вырабатывает 615 МВ энергии и состоит из 3218 турбин. Фермы, уже отработавшие свой основной ресурс (например, в Дании и Германии) просто демонтируют из-за слишком дорогого капитального ремонта.
1.3.2 Перспективные проекты
В последние годы, особенно для не слишком "ветровых" территорий наиболее эффективными признаны ветровые машины с вертикальной осью вращения, т.н. роторного или карусельного типа. Дополнительные существенные преимущества: они не так шумят и не требуют почти никакого обслуживания, при основном ресурсе более 20 лет, кроме того, им не страшны ураганные ветры.
Наиболее ярким проектом ближайшего будущего, реализующим именно эту технологию является огромная ветровая турбина с вертикальной осью на магнитной подвеске Maglev Turbine мощностью 1 гигаватт (см. Рис. 5). Она должна вырабатывать до 8,75 тераватт-часов энергии ежегодно, чего достаточно для питания 750 тысяч домов при занимаемой электростанцией площади (в основном, площади отчуждения), около 40 Га. Её особенностью является то, что все важные для обслуживания части находятся на небольшой высоте.
В России в последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных ветровых АИЭ, в количестве до 250 ветроэнергетических установок в год.
Типичные примеры российских ветростанций:
- ветроэлектрический парк "Заполярный" - 2,5 МВт (Воркута);
- ветроэлектростанция "Тюпкильды" - 2,2 МВ (Башкирия);
- ветроэлектростанция «Куликово» - 5,1 МВт (Калининград)
- Ростовская ВЭС - 0,3 МВт.
Рис. 5.
Суммарная установленная мощность ветряных электростанций в России сейчас составляет свыше 40 МВт.
Существующие и проектируемые ветроэлектростанции пока экономически далеки от конкуренции с традиционными источниками энергии. Перспективы их развития связаны с повышением эффективности использования энергии ветра с 25 до 60…70 % за счет совершенствования конструкций и со снижением себестоимости строительства.
1.4 Приливные АИЭ
Приливные источники энергии преобразуют энергию морских приливов и отливов. Они работают за счет перепада уровней воды во время прилива и отлива и подобны ветроагрегатам в водной среде..
Конструкция приливных АИЗ создается так: бухту или устье реки перегороживают от большой воды плотиной, в которой на пути приливной и отливной воды установлены гидроагрегаты, которые могут работать или электрогенераторами, или насосами для перекачки воды в искусственный водоем-аккумулятор для последующего использования (см. Рис. 6. и Рис. 7.).
В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно.
Рис. 6. Приливная электростанция без перемычек.
Рис. 7.
Такая машина может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4...5 ч с перерывами в 1…2 ч четыре раза в сутки.
Россия в настоящее время лидирует в разработке эффективных приливных АИЭ, чему способствуют и инвестиции правительства.
Причины такой политики:
- Россия (СССР) имеет в этой области исторический приоритет (наряду с Францией), Российской школе использования приливной энергии уже 60 лет;
- Российская технология строительства приливных электростанций (ПЭС) без перемычек, получившая проверку на Кислогубской ПЭС (в России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря) и на защитной дамбе Санкт-Петербурга, позволяет на треть снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений;
- именно в России разработан самый эффективный в настоящее время электрогидроагрегат для ПЭС в вертикальном исполнении.
В настоящее время перспективность приливных АИЭ определяется тем, что стоимость производства приливной электроэнергии самая низкая в энергосистемах (опыт 35 лет эксплуатации ПЭС в России и во Франции).
Сейчас использование энергии приливов ограничено главным образом все же высокой стоимостью сооружения приливных электростанций.
1.5 Геотермальные АИЭ
Геотермальные АИЭ имеют схемы устройства, такие же, как показанные на рисунке 1, только вода в емкость-аккумулятор поступает из недр земли. Возможны варианты технологи, в которых, в отличие от схемы на рисунке 1, используется только энергия пара:
- геотермальный пар направляется по трубопроводу в турбоэлектрогенераторы;
- пар проходит предварительную очистку от газов, вызывающих коррозию оборудования;
- пар в неочищенном виде поступает в турбоэлектрогенераторы, а затем из него удаляются газы (вариант экономии энергии).
Горячая вода и пар или сами поднимаются к поверхности земли, или, для целей АИЭ, это происходит после целенаправленного бурения скважин. Также вода может закачиваться в нагретые выше 1000С геологические горизонты, а потом откачиваться оттуда и поступать в процесс использования энергии.
В последние годы преобладают проекты геотермальных АИЭ смешанного типа (см. Рис. 8). Там также, как и в схеме на рисунке 1, в контуре турбины используется легкокипящая жидкость, получающая термальное тепло через теплообменник, испаряющаяся и расширяющаяся в турбине.
Рис. 8.
Такая изолированная система экологически чиста, т.к. вредные выбросы в атмосферу практически отсутствуют.
Кроме того, АИЭ такого типа функционируют при более низких температурах источников, по сравнению с другими типами геотермальных станций (100-190 °С). Это актуально, поскольку в большей части геотермальных источников вода имеет температуру ниже 190 °С.
Преимущество геотермальных источников энергии, в основном, заключается в её практической неисчерпаемости энергии и независимости её добычи от времени суток и времен года.
Конкретное устройство таких АИЭ (какая-то часть схемы на рисунке 1) определяется типом конкретного источника геотермальной энергии (средняя температура, минерализация, газовый состав, кислотность и пр.).
Все российские геотермальные электростанции расположены на Камчатке и Курилах, и на 2009 год имели производительность более 80 МВт установленной мощности.
Недостатки геотермальных АИЭ, - необходимость особых, довольно редких геологических условий для их реализации, возможное местное оседание грунтов и провоцирование землетрясений. Выходящие из скважины газы сильно шумят и могут содержать очень ядовитые соединения.
Использование низкопотенциальной геотермальной энергии, существующей повсеместно, – совершенно отдельный вид АИЭ и рассмотрен будет отдельно в дальнейшем.
1.6 Волновые АИЭ
Волновые АИЭ, как и приливные, производят, в основном, электроэнергию из кинетической энергии волн, только в этом источнике энергии участвует поверхностный волновой процесс. Этот процесс очень сложен и еще далеко не изучен. Как отражение этой сложности, существует очень много запатентованных механизмов использования волновой энергии. Вот основные:
а) Волны "ловятся" трубой большого диаметра и вращают турбину с электрогенератором.
б) Волна вытесняет из объёма трубы воздух, который вращает турбину.
в) На генератор передается энергия качания поплавков.
В Австралии создана очень эффективная волновая электростанция в виде очень большой камеры более 30 м шириной из которой вытесняется воздух в турбину с регулируемым поворотом лопастей. (см. Рис. 7). Она выдает мощность (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Пока это первая в мире коммерчески выгодная волновая электростанция.
В настоящее время в Португалии и Англии реализуется еще более удачное решение: линейно сочлененные поплавки различной длины, расположенные на поверхности воды.
Рис. 7. Волновой АИЭ с вытеснением воздуха.
1.7 Технологии низкопотенциальных АИЭ
Эффективное применение всех описанных выше АИЭ в большей или меньшей степени требует использования низкопотенциальной энергии. Наиболее актуально это в случае низкотемпературных геотермальных АИЭ, т.к. тепловой режим грунта глубже 15 – 20 м формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и почти не зависит от сезонных и суточных изменений параметров наружного климата.
Это тепло может использоваться как для отопления и горячего водоснабжения так и для кондиционирования (охлаждения) воздуха.
Основная технология получила название теплового насоса. Она достаточно необычна на первый взгляд, т.к. позволяет переносить энергию от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой (вариант с охлаждением холодным теплоносителем более теплой среды не рассматриваем, как очевидный).
1.7.1 Устройство теплового насоса
Основной (компрессионный) тип теплового насоса (Рис. 9) действует по принципу холодильного агрегата.
Рис. 9.
В холодильнике тепло 3 забирается из охлаждаемого внутреннего объема В и сбрасывается конденсатором А (который, кстати, нагревается до 700С) в окружающую среду 4 (например, в квартиру). Цикл работы холодильника хорошо известен:
а) Компрессор засасывает из испарителя, расположенного в объеме В, пары жидкости с низкой (близкой к 00С) температурой кипения и нагнетает их в конденсатор, расположенный в домашнем холодильнике у задней стенки.
б) В черных (для скорейшей отдачи теплоты излучением) трубках конденсатора пары конденсируются в жидкость, отдавая тепло в объем А (дома, обычно, в объем кухни).
в) Под действием давления (т.к. компрессор продолжает нагнетать пар в конденсатор) жидкость через крохотное отверстие 2 (т.н. дросселирующий клапан) впрыскивается в испаритель 3. Она при этом мгновенно расширяется и превращается в пар, забирая при этом энергию из объема В.
Процесс продолжается до достижении объемом В внутри холодильника установленной низкой температуры.
В тепловом насосе важной становится температура в том объеме, который нагревает конденсатор А (обычно это обогреваемое помещение), выделяющий теплоту для потребителя. Испаритель В в тепловом насосе становится теплообменным аппаратом, отбирающим низкопотенциальную тепловую энергию, например, из уличного холодного воздуха, водоема или грунта. От температуры объема В в случае теплового насоса требуется стабильность, а также, конечно, чтобы она была выше температуры кипения используемой в контуре легкокипящей жидкости.
Эффект от работы теплового насоса оценивается, как отношение количества энергии, полученной объемом А, к энергии, затраченной двигателем (обычно электрическим) компрессора. У большинства современных промышленных тепловых насосов это отношение составляет 3,5…6,5.
1.7.2 Источники низкопотенциальной энергии
В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии обычно используются подземные воды, поверхностные водоемы или поверхностный грунт.
Использование энергии грунта при проектировании АИЭ предпочтительнее, т.к. чаще всего его теплосодержание выше.
Тепловой режим поверхностных слоев грунта определяется действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потоком тепла из земных недр. Сезонным и суточным колебаниям интенсивности солнечной радиации и температуры воздуха соответствуют сглаженные колебания температуры грунта. Глубина, на которую распространяются в заметной степени суточные колебания, в зависимости от их амплитуды и типа почвы изменяется пределах от десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний почти на всей поверхности Земли не превышает 15…20 м.
С увеличением глубины температура грунта постепенно возрастает в соответствии с так называемым геотермическим градиентом (примерно 3 градуса на каждые 100 м, в зависимости от географического местоположения). Основные причины изменения температурного режима грунта в системах извлечения низкопотенциального тепла, показаны на рис. 10.
Рис. 10.
1.7.3 Системы АИЭ с тепловыми насосами
По виду вещества в нагреваемом и охлаждаемом объемах, тепловые насосы делят на типы: "грунт – вода", "грунт – воздух", "воздух – вода", "воздух – воздух", "вода – вода", "вода – воздух".
1) Использование энергии воздуха.