источники электрической энергии

Учебное пособие

Княгинино

УДК

ББК

О 75

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Московского университета

путей сообщения А. С. Серебряков;

доктор технических наук, доцент Чувашской государственной

сельскохозяйственной академии О. В. Михайлова.

О 75 Нетрадиционные и возобновляемые источники

электрической энергии: Учебное пособие / В. Л. Осокин,Д. А. Семенов, Д. Е. Дулепов, Е. А. Сбитнев. – Княгинино: НГИЭИ, 2012. – 128 с.

Изложен анализ нетрадиционных источников энергии и сведения о некоторых энергоустановках, использующих эти источники энергии.

Полученные в ходе изучения дисциплины компетенции и навыки используются при освоении последующих дисциплин, таких как «Переходные процессы», «Электроснабжение» и других, а так же в ходе дипломного проектирования (выполнения выпускной квалификационной работы бакалавра).

Для студентов по направлениям бакалавриата:

- «Агроинженерия», профили «Электротехнология и электрооборудование»;

специалитета:

- «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»;

магистратура:

- «Агроинженерия», профили «Электротехнология и электрооборудование

УДК

ББК

© Нижегородский государственный

инженерно-экономический институт, 2012

© Осокин В. Л.Семенов Д. А.,

Дулепов Д. Е., Сбитнев Е. А. 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

С каждым годом все больше обостряются вопросы, связанные с дальнейшими путями развития энергетики. С одной стороны, рост населения, стремление к повышению жизненного уровня людей диктуют целесообразность наращивания мощностей энергетики, и в первую очередь электроэнергетики, причем просто гигантскими темпами; с другой стороны, возникающие экологические проблемы, истощение природных источников сырья, и, в первую очередь, нефти и газа, требуют более экономичного и рационального использования полученной энергии и потенциальной энергии ее источников.

Согласно последним данным МИРЭС, опубликованным в отчете «Энергия для завтрашнего мира», доказанные извлекаемые запасы органического топлива в мире составляют 1220 млрд. т.у.т., тогда как извлекаемые ресурсы, оцененные весьма условно – в 4,5 раза больше. С учетом нетрадиционных ресурсов (тяжелой нефти, природного битума и нефтяных сланцев) это превышение над указанными запасами будет составлять около 5,2 раза. С учетом достигнутых к настоящему времени уровней добычи органического топлива можно сделать следующие выводы:

1) доказанные запасы органического топлива достаточны для удовлетворения ожидаемого роста мирового спроса на них в течение многих десятилетий, при этом за последние годы размеры доказанных запасов не только не сократились, но и существенного увеличились;

2) мировые геологические ресурсы всех видов органического топлива являются достаточными также для компенсации убывания их доказанных запасов;

3) за пределами середины следующего столетия, однако, может оказаться, что только ресурсы углей будут достаточны для компенсации убывания разведанных запасов, тогда как ресурсы нефти и газа сократятся настолько, что придется ограничить их добычу.

«Известные» ресурсы урана в мире в настоящее время оцениваются в 2,4 млн. т, а годовая потребность в нем для 420 действующих в мире ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс.т. Таким образом, указанные выше «известные» ресурсы урана достаточны для работы ныне действующих АЭС в течение 41 года. С учетом трудно добываемого урана, обеспеченность запасами ядерного горючего возрастает до 64 лет. Хотя, конечно, использование плутония или реакторов-размножителей на быстрых нейтронах увеличит этот срок.

Тем не менее, хотя исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии в ближайшее время человечеству не грозит, в последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Говоря о перспективной и стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна во многом опираться на НВИЭ. Тем более что кроме постоянно беспокоящего факта о невозобновляемости традиционных энергоисточников, энергетика, основанная на их использовании, т.е. на сжигании органического топлива, наносит значительный ущерб окружающей среде, и в долгосрочной перспективе может привести к нежелательным глобальным изменениям климата. Атомная же энергетика встречает активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий с радиационным загрязнением больших территорий.

Период времени порядка 50…60 лет дается человеку для дальнейшего повышения эффективности традиционных способов производства энергии и для внедрения НВИЭ, обладающих большими потенциальными возможностями, и за счет которых пока еще удовлетворяется весьма незначительная часть мировых энергетических потребностей. В начале нынешнего десятилетия годовое производство энергии в мире на базе НВИЭ оценивалось в 240 млн. т.у.т., что соответствует примерно 2 % общих мировых потребностей в первичных энергетических ресурсах за год в настоящее время. А по прогнозам МИРЭС, за счет НВИЭ в 2000 году может быть произведено при различных вариантах развития мирового энергохозяйства, и в зависимости от степени поддержки на государственном уровне работ по освоению этих источников энергии от 4,0 до 4,5 млрд. т.у.т. или 18…27 % всей мировой потребности.

Все это привело к тому, что в промышленно развитых странах энергопотребление в последние время либо уменьшилось, либо его рост существенно замедлился. В связи с этим планирование строительства новых крупных электростанций связано с большой неопределенностью а, следовательно, с риском. Энергокомпании предпочитают наращивать мощности путём строительства сравнительно небольших энергетических блоков, а это характерно для НВИЭ; и при помощи повышения КПД действующих энергоблоков.

Во многих промышленно развитых странах, где резервы собственного органического топлива сильно исчерпаны или не имелись изначально, и энергетика которых базируется, в настоящий момент, на импортных поставках, вопросы использования НВИЭ становятся всё более актуальными, активно ведутся работы по их применению в энергетике.

Для развивающихся стран, и стран, переживающих сегодня экономический кризис, характерен дефицит больших капиталовложений, исключающий возможность сооружения крупных традиционных электростанций. В то же время установки с НВИЭ, как правило, имеют модульный характер и позволяют вводить в строй сравнительно малые мощности, наращивая их по мере необходимости.

В России имеются отдалённые регионы, которые не присоединены к системам центрального электроснабжения и где по некоторым оценкам проживает около 20 млн. чел. Для них электро- и теплоснабжение на базе НВИЭ явилось бы решением огромной социальной проблемы.

В общем же анализ показывает, что к 2020 г. общие потребности мира в первичных энергоресурсах существенно возрастут, причём до 85 % этого прироста произойдёт в результате увеличения энергетических потребностей в большой группе стран, относящихся в настоящее время к категории развивающихся. А учитывая прирост мирового населения в два раза в ближайшие десятилетия и более чем в три раза городского населения, нельзя продолжать использовать энергию, таким образом, как это привыкли делать.

Спрос на услуги, которые предоставляет энергетика, – отопление, охлаждение, освещение, бытовые приборы, промышленность, транспорт – существенно возрастет. Энергия удовлетворяет основные потребности и предоставляет основные услуги, она является существенным компонентом социального развития и экономического роста. Проблема заключается в обеспечении требуемых энергетических услуг для растущего населения мира без последствий для окружающей среды, которые в конечном счете, могут стать непреодолимыми. Решение этой проблемы требует существенных перемен в мировом энергетическом балансе. Но энергетические системы не могут быть изменены быстро, поэтому ближайшие 30 лет будут критически важной переходной фазой при реализации долгосрочных целей. Следовательно, необходимо инициировать перемены сейчас, если страна стремится достичь успешного длительного развития.

Настоящая работа не может претендовать на глубокое осмысливание места нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и тем более современного состояния энергетических установок, использующих нетрадиционные низкотемпературные источники энергии, имеющие широкое применение в мировой энергетике.

Цель всей работы – использование низкотемпературных и возобновляемых источников энергии, показать большие перспективы использования низкопотенциальных энергоресурсов в России и показать слабое развитие индустрии производства и эксплуатации энергетических систем, использующие эти ресурсы. Вдохнуть в них жизнь, просмотреть перспективы современных методов проектирования таких энергетических систем.

1. ТЕОРИЯ ПРИМЕНЕНИЯ МАЛЫХ ГЭС

Текущая в естественных условиях вода в реке обладает энергией. Поскольку под влиянием солнечной энергии происходит непрерывный круговорот воды в природе (испарение – осадки – испарение), то гидроэнергетические ресурсы относятся к ресурсам возобновляемым.

В России, как и в других странах, гидроэнергетика основывается на достаточно богатом опыте исследования и использования энергии крупных рек. Исчерпание возможностей освоения крупных водотоков заставило обратить внимание на так называемую малую гидроэнергетику. К этой области гидроэнергетики, имеющей свои технические особенности, относятся ГЭС малой мощности – малые ГЭС, эксплуатирующие сток малых, средних и верховья крупных рек.

В настоящее время единых критериев причисления ГЭС к категории малых не существует. В Австрии, Испании, Индии, Франции, Германии, Канаде, КНР к малым ГЭС относят электростанции мощностью до 5 МВт; в Италии, Норвегии Швейцарии, Венесуэле – до 1…1,5 МВт; в США – до 30 МВт; в России – 25…30 МВт. Некоторые заводы-изготовители определяют малые ГЭС по диаметру рабочего колеса гидротурбины (в нашей стране – до 3 м). По величине используемого напора малые ГЭС можно подразделить на три категории: низконапорные (напор менее 20 м); средненапорные (20…75 м); высоконапорные (свыше 75 м).

Наибольшее распространение получила классификация ООН, подразделяющая малые ГЭС по мощности: микроГЭС – мощностью до 100 кВт, мини ГЭС – от 0,1 до 1 МВт и малые ГЭС – от 1 до10 МВт.

Широкое применение малые ГЭС могут найти для обеспечения электроэнергией изолированных от энергосистемы (или требующих резервирования) потребителей. Параллельная работа маломощного гидроагрегата с энергосистемой не вызывает технической сложности, так как в этом случае энергосистема автоматически поддерживает напряжение и частоту тока генератора малой ГЭС на требуемом уровне. Иногда целесообразно применение малой ГЭС в комплексе с ветро-, гелиоустановкой и другими энергоисточниками.

Кроме того, гидравлические турбины небольшой мощности могут выступить в качестве самостоятельных приводов различных механических машин (мельниц, насосов и т.д.).

1.1. Исходные гидрологические данные