НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Курс лекций
Челябинск
Издательский центр ЮУрГУ
УДК 620.9.004.18(075.8)
Г82
Одобрено
учебно-методической комиссией энергетического факультета
Рецензенты: В.В. Заболотный, Л.С. Катаевская
| Г82 | Грибанов, А.И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: курс лекций / А.И. Грибанов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. – 74 с. | |
| В курсе лекций даны описание и характеристики основных возобновляемых источников энергии. Показаны проблемы их использования. Рассмотрена перспектива применения возобновляемых источников энергии в России. Курс лекций предназначен для студентов направления «Теплоэнергетика и теплотехника», изучающих дисциплину «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», а также может быть использован в качестве дополнительной литературы для студентов, изучающих дисциплины «Основы современной энергетики», «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплопередача». | ||
| УДК 620.9.004.18(075.8) | ||
| Ó Издательский центр ЮУрГУ, 2013 | ||
ВВЕДЕНИЕ
Энергетические ресурсы делятся на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым источникам энергии относятся уголь, нефть, газ, торф, уран, а к возобновляемым солнечное излучение, энергия ветра, рек, водотоков, приливов и отливов, биомассы, геотермальная энергия, рассеянная тепловая энергия воздуха и воды.
Запасы невозобновляемых источников ограничены и конечны. По одним прогнозам угля хватит на 1500 лет, нефти – на 250, газа – 120 лет. По другим прогнозам нефть закончится через 40 лет, газ – через 80, уголь – через 400, уран – через 80…100 лет. Поэтому все большее количество стран уделяет и начинает уделять внимание решению проблемы энергосбережения с помощью возобновляемых источников энергии [1].
Возобновляемые источники энергии имеют существенные преимущества в области экологии. В настоящее время некоторые возобновляемые виды энергии стоят не больше энергии получаемой за счет органического топлива.
В 2000 г. в Японии главы восьми государств, включая Россию, рассматривали проблемы использования возобновляемых источников энергии. Была образована рабочая группа для выработки рекомендаций по развертыванию рынка этой энергетики.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире составляет примерно 20 млрд. т. условного топлива в год. Это в два раза больше годового объема добычи всех видов органического топлива. По данным Международного Энергетического Агентства производство электроэнергии на базе нетрадиционных источников энергии в настоящее время составляет около 5 % ее общего производства. Предполагается, что к 2020 г. эта величина достигнет 13 %, а к 2060 – 33 %. Прогноз вклада возобновляемых источников энергии, по данным Мирового Энергетического агентства представлен в табл. 1 [1].
Таблица 1
Прогноз вклада возобновляемых энергоисточников
в общее энергопотребление, млн. т. нефтяного эквивалента
| Виды ресурсов | Минимальный вариант | Максимальный вариант | ||
| млн. т | % | млн. т | % | |
| Современная биомасса | ||||
| Солнечная энергия | ||||
| Ветровая, геотермальная, МГЭС, мусор | ||||
| Всего: | ||||
| Доля общего первичного энергопотребления, % | 3…4 | 8…12 |
Большая часть потребностей энергии будет удовлетворяться за счет ветроустановок, солнечных элементов, малых гидростанций и использования биомассы. В некоторых районах мира можно использовать геотермальные источники тепла и энергию волн и приливов.
Экономически эффективный потенциал возобновляемых источников энергии России составляет свыше 270 млн. т условного топлива в год или более 25 % внутреннего годового потребления.
Большинство регионов страны, в том числе и проблемные, имеют значительные возобновляемые энергоресурсы.
В настоящее время в России работают несколько экспериментальных и опытнопромышленных электростанций использующих возобновляемые энергоресурсы, около 300 малых ГЭС, десятки небольших солнечных и ветровых установок, общий вклад которых в энергобаланс страны не превышает 0,1 %.
Поэтому требуется более активно развивать энергетику на базе возобновляемых источников энергии. В России децентрализованное энергоснабжение охватывает более 70 % территории. На ней постоянно проживает более 10 млн. человек. В эти регионы с большими трудностями завозится топливо, на доставку которого тратятся огромные средства.
Кроме того причинами развития энергетики на базе возобновляемых источников являются:
– возможность обеспечить энергией отдаленные и труднодоступные районы страны с меньшими затратами;
– необходимость сокращения объемов строительства линий электропередач;
– оптимизация графиков загрузки оборудования существующих электростанций;
– снижение вредных выбросов в окружающую среду при производстве электроэнергии;
– снижение доли невозобновляемых энергоресурсов на выработку электроэнергии и использование их как сырья в химической и других отраслях промышленности;
– сохранение невозобновляемых энергоресурсов для будущих поколений;
– обеспечение энергетической безопасности страны.
Поэтому ускоренное развитие энергетики на базе возобновляемых источников энергии может стать важным экономическим и социально-политическим стабилизирующим фактором [1].
ПРОБЛЕМЫИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Потребности в энергии не постоянны во времени. В электроэнергии потребность максимальна в утренние и вечерние часы и минимальна в ночное время. Традиционные тепловые электростанции, регулируя расход топлива, могут подстраиваться под колебания спроса на энергию. При использовании возобновляемых источников энергии колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников. Поэтому необходимо учитывать оба этих фактора.
Важным показателем является качество источников энергии. Это доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Электроэнергия имеет высокое качество, так как с помощью электродвигателя можно более 95 % этой энергии превратить в работу.
Качество тепловой энергии, получаемой при сжигании органического топлива на тепловых электростанциях, довольно низкое. Только около
30 % теплоты сгорания топлива превращается в механическую работу. По этому признаку возобновляемые источники энергии можно разделить на три группы.
1. Источники механической энергии. Например, гидравлические, ветровые, волновые и приливные. Они имеют высокое качество и используются для производства электроэнергии. Качество ветровой энергии – 30 %, гидроэнергии – 60 %, волновой и приливной – 75 %.
2. Тепловые возобновляемые источники энергии. Например, биотопливо и тепловая солнечная энергия. Для таких источников доля тепла, которая может быть превращена в механическую работу, определяется вторым законом термодинамики. На практике превратить в работу удается меньшее количество тепла. Для современных паровых турбин качество тепловой энергии не превышает 35 %.
3. Источники энергии на основе фотонных процессов. К ним относятся источники использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления. Солнечное излучение определенной частоты с помощью фотоэлектрических преобразователей можно превратить с высокой эффективностью в механическую работу. Но добиться высокой эффективности преобразования энергии во всем спектре солнечного излучения очень сложно. КПД фотопреобразователей равный 15 % считается довольно хорошим.
Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии очень сильно отличаются начальной плотностью потоков энергии. Возобновляемые источники имеют начальную плотность порядка 1 кВт/м2, а невозобновляемые – на несколько порядков выше.
Так, тепловая нагрузка в трубах паровых котлов – порядка 100 кВт/м2, а в теплообменниках ядерных реакторов – несколько МВт/м2.
Поэтому невозобновлямые источники энергии эффективны при большой единичной мощности установки, но распределение энергии среди потребителей связано с большими затратами. Возобновляемые источники энергии эффективнее при небольшой единичной мощности, но большие затраты требуются для повышения мощности за счет объединения этих установок в единую энергосистему.
Ни один из возобновляемых источников энергии не является универсальным и не может быть использован в любой ситуации. Использование конкретного возобновляемого источника зависит от природных условий и потребностей в энергии. Поэтому для эффективного планирования энергетики на возобновляемых ресурсах необходимы: систематическое исследование окружающей среды; изучение потребностей конкретного района в энергии для промышленного и сельскохозяйственного производства, а также для бытовых нужд. Чтобы выбрать наиболее экономичный источник энергии, нужно знать структуру потребителей энергии. Следовательно, невозможно предложить простой и универсальный метод планирования энергетики на возобновляемых источниках ни в международном масштабе, ни в рамках одной страны [2].
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Солнце – гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс.км. Его масса (2×1030 кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объема Земли.
Солнечное излучение это результат реакций синтеза ядер легких элементов (дейтерий, тритий, гелий) в недрах Солнца. При этом освобождается энергия, пропорциональная по уравнению Эйнштейна дефекту массы D M
Е =D Мс 2, (2.1)
где с »3×108 м/с – скорость света.
Естественный баланс энергии солнечного излучения для Земли определяется условиями взаимодействия с приходящим излучением Qлс каждого из компонентов окружающей среды – их отражательной Qотр, поглощательной Qпогл и пропускной Qпр способности.
Для каждого из компонентов
Qлс = Qпогл + Qотр + Qпр (2.2)
или
(2.3)
или для планеты в целом
, (2.4)
где S Qлс = 1,572×108 кВт×ч/год.
Локальные значения энергии приходящего солнечного излучения к поверхности лито- или гидросферы определяются совокупностью всех действующих факторов. Эти значения существенно зависят от ориентации поверхности к Солнцу (освещенности), высоты над уровнем моря, облачности, влажности, а также ряда других естественных и антропогенных воздействий на атмосферу.
Для средних широт изменение плотности потока солнечного излучения составляет от 0 до 200…300 Вт/м2 зимой и до 800 Вт/м2 летом. Среднегодовое поступление солнечной энергии на горизонтальную поверхность лито- или гидросферы изменяется от 1400 до 2200 кВт×ч/м2. При этом среднесуточное значение в средних широтах изменяется от 5…7 кВт×ч/м2 до
0,5 кВт×ч/м2, а в полярных районах – от 2…3 кВт×ч/м2 почти до нуля.
Поступление солнечного излучения на Землю определяется вращением Земли вокруг собственной оси (суточная нестабильность), движением Земли по орбите вокруг Солнца (годовая нестабильность), а также происходящими на Солнце процессами – периодическими и непереодическими циклами солнечной активности. Непериодические возмущения на Солнце сопровождаются резким изменением интенсивности какого-либо вида излучения [3].
Энергетика, основанная на использовании солнечного излучения, имеет высокие потенциальные возможности. Использование 0,0125 % солнечной энергии падающей на Землю может обеспечить все потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % – покрыть эти потребности с учетом перспективы.
Но использовать солнечную энергию в больших масштабах практически невозможно. Это, прежде всего, связано с низкой плотностью солнечного излучения, а также нерегулярностью поступления энергии и зависимости ее у поверхности Земли от закономерных и случайных факторов.
Установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство с достаточной поверхностью. Следовательно, преобразование солнечной энергии в больших количествах потребует огромные поверхности приемников солнечного излучения.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии связано с гигантским увеличением потребности в материалах, что требует увеличения трудовых ресурсов. Пока получение электроэнергии на основе солнечной энергии очень дорого. Но исследования, проводимые на опытных установках и солнечных электростанциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.
Преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя способами:
1) использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии (например, с помощью турбогенераторов);
2) непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах (фотоэлектрическое преобразование).
Реализации этих способов представляет определенную техническую сложность. Гораздо проще преобразовать солнечную энергию в тепловую и использовать ее для отопления и горячего водоснабжения, а также в различных технологических процессах.