Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Алматинский институт энергетики и связи
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий
Электроэнергетика
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
Конспект лекций
(для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика)
Алматы 2007
СОСТАВИТЕЛИ: А.В. Болотов, К.А. Бакенов. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2007. – 40 с.
Конспект составлен на базе научных статей, отражающих достижения Алматинского института энергетики и связи в рассматриваемой области. Конспект адресуется студентам и магистрантам энергетических специальностей высших учебных заведений. Он может быть также полезен студентам, обучающимся по смежным специальностям и широкому кругу читателей.
По специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» ведется подготовка кадров высшей квалификации – магистров, кандидатов и докторов наук, работает Специализированный совет по защитам кандидатских и докторских диссертаций.
Содержание
|
1 Лекция №1. Аргументы и стимулы использования неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов |
|
|
2 Лекция №2. Ветер как энергоноситель, природа и основные свойства |
|
|
3 Лекция №3. Ветроэнергетика состояние и тенденции развития |
|
|
4 Лекция №4. Ветроэнергетические агрегаты и ветроэлектростанции |
|
|
5 Лекция №5. Энергия Солнца. Солнечное электричество. |
|
|
6 Лекция №6. Энергия Солнца, Энергия Солнца. Солнечное тепло. |
|
|
7 Лекция №7. Гидроэнергетика |
|
|
8 Лекция №8. Тепло Земли и биоэнергетические ресурсы |
|
|
Список литературы |
|
1 Лекция №1. Аргументы и стимулы использования неисчерпаемых и возобновляемых источников энергии
Содержание лекции:
- энергетика, основанная на использовании нетрадиционных и возобновляемых ресурсов – средство повышения благосостояния населения и сохранения окружающей среды.
Цели лекции:
- показать основные причины возникновения экологических и социальных проблем, связанных с энергетикой и определить пути их преодоления, выработать у студентов стремление к бережному расходованию энергии, вовлечению в энергобаланс неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов для устойчивого развития государств и территорий.
Есть живая энергия, которая дана каждому и всем поровну: Ветер, Солнце, тепло Земли, бегущая вода.
Нам представляет Природа то, чем можно пользоваться, не нарушая её равновесия, не вредя всему Живому.
Неуклонное увеличение населения Земли и рост его потребностей в энергии ведет к возникновению глобальных противоречий человека со средой обитания. Получение требуемых видов энергии – электричества и движения транспортных средств сейчас идет в основном по тепловому пути сжигания миллиардов тонн угля, нефти, природного и попутного газа, других видов топлива в кислороде воздуха. Коэффициент полезного использования тепловой энергии редко превышает 30%. Остальная часть – 70% - это миллиарды калорий тепла – рассеивается в окружающем пространстве и должна уходить в космос для поддержания теплового баланса поверхности Земли. Одновременно образуется огромное количество вредных газов и Природа не в состоянии их нейтрализовать. Возникает так называемый «парниковый эффект», обуславливающий прозрачность атмосферы для излучения Солнца, поступающего на Землю и запирание инфракрасного излучения, образующегося на поверхности Земли. Парниковый эффект повышает среднюю температуру планеты и приводит к разбалансировке веками сложившихся ее климатических условий. Однако человечество не может существовать и развиваться без электрической и тепловой энергии и требует неуклонного наращивания их производства. В связи с этим существует несколько стимулов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Первый стимул – обеспечить прирост выработки электроэнергии и предотвратить экологическую катастрофу, сохранить природу для будущих поколений.
Главным направлением решения этой задачи является переход энергетических систем на использование экологически чистых энергетических ресурсов – энергии ветра, Солнца, тепла Земли, движущейся воды, которые не дают избыточного повышения энтропии окружающего пространства и эмиссии парниковых газов.
Второй стимул - обеспечение энергией людей, проживающих в регионах, удалённых от существующих систем энергоснабжения. По данным ЮНЕСКО миллионы людей в сельской местности в мире не имеют доступа к электричеству и цивилизации. Это создаёт там большие социальные проблемы и ведёт к уходу людей из сельской местности и перенаселению больших городов. В Казахстане около 5000 посёлков и малых поселений оторваны от централизованного электроснабжения.
Основным направлением решения этой проблемы является создание децентрализованных систем энергоснабжения и источников энергии индивидуального пользования, работающих с использованием энергии ветра, Солнца, движущейся воды и возобновляемых энергетических ресурсов растительного происхождения – отходов сельскохозяйственного производства.
Третий стимул развития энергетики на нетрадиционных и возобновляемых энергетических ресурсах - снижение уровня политических интриг и военных акций за владение традиционными энергетическими ресурсами – нефтью, природным газом, углем. Энергетика – это политика, большая энергетика – очень большая политика. Сегодняшние международные конфликты это в значительной степени войны за энергию. Политическая дестабилизация мира, определяется, как правило, борьбой за владение запасами нефти и газа.
Стремление государств к энергетической безопасности и независимости, снижение политической напряжённости в мире может быть достигнуто через широкое использование неисчерпаемых энергоресурсов.
Неисчерпаемые энергетические ресурсы не являются объектом монопольного владения и торговли, они даны всем и каждому поровну. Конкурентная борьба в этой сфере идёт через международный рынок энергетических установок, преобразователей первичной энергии в электрическую.
Развитию Глобальной энергетики без возникновения политических конфликтов способствуют международные организации – ЮНЕСКО, ПРООН. Стратегию развития энергетики на неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсах определяют Международные соглашения, Киотский протокол, к выполнению принципов которого подключилось большинство стран мира, в том числе Республика Казахстан. Важное значение имеет «Алматинская Декларация» региональной конференции ЮНЕСКО на уровне министров «Стратегическая роль возобновляемой энергии для устойчивого развития в Центральной Азии» (Алматы, 2006г.).
Общими свойствами и признаками неисчерпаемых энергетических ресурсов являются:
- цикличность, связанная с вращением Земли и Солнечной активностью;
- зависимость от погодных условий и прозрачности атмосферы;
- зависимость от геологического строения Земли, рельефа местности;
- необходимость для энергетических установок малой и средней мощности применения накопителей хаотически поступающей энергии для использования ее по мере надобности. Мощные энергоустановки необходимо объединять в энергосистемы.
Значительная территория Казахстана и низкая плотность населения в сельской местности обуславливают наличие сельских линий электропередач большой протяженности, составляющей около 360 тыс. км. Содержание таких электрических сетей, равно как и значительные потери электроэнергии в них при передаче (25-50%), в значительной степени повышают стоимость электроэнергии на местах. Экономической альтернативой для энергоснабжения отдаленных потребителей может служить создание местных электрогенерирующих мощностей, использование на местах нетрадиционных и возобновляемых источников неисчерпаемой энергии.
Отдельно стоит вопрос экологии и загрязнения окружающей среды объектами электроэнергетики, когда 86% энергии производится тепловыми электростанциями. Концентрация вредных веществ в дымовых газах угольных электростанций в Казахстане в несколько раз превышает международные стандарты. Выбросы вредных веществ в атмосферу электростанциями составляют более 1 млн. тонн в год, а общий объем загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду, включая золу, превышает 11 млн. тонн в год. Угольная энергетика наносит значительный вред природе. По приблизительным оценкам экспертов, стоимость ущерба от угольной энергетики окружающей среде и населению превышает стоимость самой электроэнергии.
Республика Казахстан является участником Рамочной Конвенции ООН по изменению климата и имеет международные обязательства по снижению влияния энергетики на климат планеты. Сокращение выбросов парниковых газов энергетическими установками может быть осуществлено за счет изменения структуры генерирующих мощностей, повышения энергоэффективности при потреблении энергии и увеличения использования возобновляемых источников энергии.
В Республике Казахстан создание и развитие энергетики, использующей нетрадиционные и возобновляемые источники энергии определено законами РК « Об энергетике» и «Об энергосбережении», «Стратегией развития государства до 2030 года», рядом постановлений правительства.
Освоение этих источников энергии сегодня находится в следующей стадии:
- разрабатывается и реализуется национальная программа;
- продолжается изучение доступного технически и экономически выгодного потенциала неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов (НИЭР) и (ВЭР) в регионах;
- проводится обучение населения и убеждение властных структур в возможности создания простых и доступных технических средств для превращения стихийной энергии НИВЭР в управляемую электрическую и тепловую энергию;
- создаётся производственная база для изготовления и ввода в эксплуатацию ветроэнергетических агрегатов, преобразователей солнечной энергии, геотермальных установок, биогазовых станций;
- проходит опытная эксплуатация всех видов преобразователей энергии, совершенствуются их экономические и технические показатели;
- осуществляется международный обмен опытом и достижениями;
- идёт подготовка кадров разной квалификации для разработки, производства, монтажа, наладки и эксплуатации установок, работающих на нетрадиционных и возобновляемых энергетических ресурсах.
2 Лекция №2. Ветер как энергоноситель, природа и основные свойства
Содержание лекции:
- происхождение и свойства ветра как энергоносителя, мощность ветрового потока.
Цель лекции:
- изучить основные характеристики ветра как энергоносителя, механизм формирования воздушных течений в приземном слое и образования «месторождений ветровой энергии».
Горизонтальное движение воздуха, происходящее в результате скольжения Земли относительно своей атмосферы, а также под воздействием силы барического градиента, вызванной различием в температурных режимах больших площадей суши и воды, и отклоняющей силы вращения Земли, а также силы трения воздушных масс о поверхность Земли носит название «ветер».
В понятии ветра различаются числовая величина скорости ветра, выражаемая в м/с, км/ч, «узлах» и условных единицах (баллах), и направление, откуда дует ветер. Для обозначения направления указывают «румб», либо угол, который образует горизонтальный вектор скорости с меридианом, причем север принимается за 360° или 0°, восток за 90°, юг – за 180°, запад за 270°. Румб – это направление относительно сторон света. В метеорологии принято разделять окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб соответствует 22,5°. Главными называют направления на север (С), юг (Ю), запад (З), восток (В). Названия 12 других румбов являются комбинациями названий главных румбов, например, северо-восток (СВ); северо-северо-восток (ССВ), юго-юго-запад (ЮЮЗ).
Скорость и направление ветра всегда в большей или меньшей степени непрерывно колеблются, поэтому их обычно определяют, как осредненные величины за некоторый промежуток времени. Наличие сильных колебаний режима ветра, обусловленных турбулентностью, отмечается особо как порывистость или шквальность.
Порывистость ветра – наличие в воздушном потоке значительных колебаний скорости и направления с временными интервалами в несколько десятков секунд.
Шквальность – резкое усиление и ослабление ветра в течение короткого времени, сопровождающегося также изменениями его направления, продолжительностью несколько минут или десятков минут.
Ветер со скоростью порядка 5 – 8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным; выше 20 – 25 м/с – штормовым, а выше 30 – 35 м/с – ураганом. При порывах и сильных шквалах скорость ветра может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 и более м/с. У поверхности Земли на небольших участках и на короткое время может устанавливаться полное безветрие – штиль.
Ветры над большими площадями земной поверхности образуют обширные воздушные течения, из которых слагается общая циркуляция атмосферы. Различие в удельной тепловой нагрузке поверхности Земли на полюсах и экваторе из за ее шарообразной формы определяет перемещение тепла и паров воды с экватора на полюса Это формирует глобальную обменную циркуляцию атмосферы северного и южного полушарий. Циркуляции обеспечивает существование постоянной, устойчивой ветровой системы - северо-западной и соответственно юго-восточной вследствие отклонения воздушных масс через ось вращения Земли.
Дальнейшее развитие циркуляции происходит с образованием двух больших циркуляций – муссонов, пассатов и тропических циклонов.
Муссоны – устойчивые ветры в переменно противоположных направлениях, меняющихся два раза в год. Зимние муссоны чаще направлены с суши на океан, летние – с океана на сушу и сопровождаются обильными осадками.
Пассаты – устойчивые на протяжении года воздушные течения в тропических широтах над океанами. В Северном полушарии направление пассатов преимущественно северо-западное, в Южном – юго-восточное.. Над пассатами в противоположном им направлении дуют антипассаты.
Циклоны – области пониженного давления размерами в несколько тысяч км, образуются системой ветров, дующих против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном, скорость ветра в циклоне достигает 100 м/с и выше. Существуют также антициклоны – области повышенного давления, размерами также в несколько тысяч км, образующиеся системой ветров, дующих по часовой стрелке в Северном полушарии и против – в Южном, характеризующиеся слабыми ветрами.
В связи с наличием общей циркуляции атмосферы и местных циркуляций, ветер все время меняет величину и направление в любой точке пространства. Кроме того, ветер у земной поверхности подвержен суточному ходу вследствие изменения условий турбулентности в течение суток. С высотой над поверхностью скорость ветра увеличивается отчасти из-за убывания тормозящего действия силы трения о поверхность, а также в результате наличия горизонтальных градиентов температуры.
Локальные, местные воздействия на воздушные массы возникают в системах суша – внутренние водоемы и носят название «море – береговых бризов», «горно-долинных ветров».
Горно-долинные ветры с 12 часовой цикличностью определяются градиентом температур между долиной и горным массивом и достигают скорости 6 – 8 м/с.
Бризы – ветры с суточной цикличностью по берегам морей и крупных водоемов. Дневной бриз дует с воды на нагретое побережье, ночной - с охлажденного побережья на водоем. Бризы обычно распространяются на несколько десятков километров по обе стороны от береговой линии и на высоту несколько сотен метров, скорость их достигает 10 - 12 м/с.
|
|
|
|
|
|
Яркими примерами локальных природных воздействий на воздушные потоки являются естественные «аэродинамические трубы», образованные макрорельефом Земли – горными хребтами в сочетании с озерами и степными пространствами - Джунгарские ворота и Шелекский (Чу-Илийский) коридор в Казахстане, Боамское ущелье и Иссыкульская котловина в Киргизии, Баргузинский проход на Байкале и другие.Наиболее мощное концентрирующее воздействие на движение воздушных масс проявляется в Джунгарских воротах (Алматинская область).
|
|
Джунгарские ворота расположенные на высоте 190 – 380 м, над уровнем моря, образуются системой горных массивов в Китае, которые сходятся под углом порядка 20 – 25 ° в районе станции Достык в Казахстане. На стороне Казахстана Джунгарские ворота находятся между отрогами гор, расходящимися под углом 35 – 40 ° в сторону долины с озерами Жаланашколь, Алаколь и далее Балхаш.
Таким образом, горные системы высотой около 4000 м образуют своеобразное сопло с конфузорной и диффузорной частями и узкой горловиной. Ширина узкой части Джунгарских ворот составляет 10 – 16 км, длина наиболее энергонасыщенной части - 60 – 70 км. Сильные ветры достигают г. Рыбачье на расстоянии 160 – 165 км. Площадь Казахстанской части Джунгарских ворот составляет порядка 1000 км². Воздушные потоки, движущиеся со стороны Китая образуют ветер «Евгей», скорость которого в осенне – зимний – весенний периоды достигает 45 – 70 м/с. Обратный ветер «Сайкан» формируется в степных районах прибалхашья, проходит через Джунгарские ворота со скоростью, достигающей 18 – 30 м/с. Джунгарские ворота являются естественным концентратором воздушных течений, когда скорость ветра в узкой части ворот превышает в 2,5 – 3,5 раза скорость ветра в долинной части.
Области и районы с высокой ветровой активностью являются месторождениями живой энергии огромных масштабов, эквивалентных месторождениям угля, нефти или газа.
Скорости и направления ветра в нижних слоях атмосферы сильно изменчивы во време ни и по высоте и зависят от множества факторов: состояния подстилающей поверхности, ее термической устойчивости, наличия крупных препятствий, общей циркуляции атмосферы. Слой воздушных течений, осваиваемых ветроэнергетическими агрегатами, имеет высоту от 5 – до 150 – 200 м и характеризуется высокой турбулентностью, наличием градиента скорости по высоте. Наиболее резкий рост скорости с высотой наблюдается в самой нижней части пограничного слоя атмосферы во все сезоны года. В нижнем стометровом слое градиент скорости по высоте составляет в апреле – июле - 3,3 – 3,4 м/с, в зимние месяцы 7,3 – 8 м/с на 100м.
|
|
.
Естественно, что непосредственно на поверхности Земли скорость потока равна нулю. Наименьшее торможение воздушным потокам оказывает гладкая водная поверхность.
Отдельные препятствия воздушному потоку вносят свои собственные возмущения в пограничный слой.
Группа деревьев, или ряд деревьев, например, ветрозащитные лесные полосы создают циркуляции с наветренной и подветренной стороной, распространяющиеся на расстоянии от 5 до 10 – 15 высот лесных насаждений.
Эффективность преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию определяется рядом его специфически особенностей как энергоносителя, а также свойствами преобразователей энергии – ветровых турбин и электрических генераторов.
Мощность воздушного потока представляется как энергия, поступающая через его сечение площадью 1м2, расположенное перпендикулярно его направлению. Величина развиваемой мощности зависит от плотности воздуха , скорости его движения и определяется выражением
, Вт/м2
где - плотность воздуха 1,29 кг/м3 при 0 0C на уровне моря;
- скорость ветра, м/с2.
Диапазон изменения скорости ветра - от 0 (затишье) до 50 - 70 м/с (шторм, ураган) определяет широкие возможности использования его энергии.
Ветер – особый энергоноситель: при изменении его скорости, например, на 20% от 5 до 6 м\с мощность изменяется на 72,8%, при увеличении скорости в 5 раз, от 6 до 30 м\с его удельная мощность увеличивается в 125 раз. Аналогично, но только в обратном направлении изменяется мощность ветра при уменьшении его скорости.
В связи с тем, что скорость ветра непрерывно меняется по величине используется понятие «среднесрочная» скорость, куда входит среднее значение за определенный интервал времени. Так, при сред нечасовой скорости ветра 30 м/с изменение её за 2 сосед них часа было в пределах от 9,8 до 32,4 м/с.
В параметры скорости ветра входит ряд показателей – порывистость, шквальность и максимальная скорость в порыве
Порывистость ветра – наличие в воздушном потоке значительных колебаний по скорости и направлению с временными интервалами в несколько десятков секунд. Амплитуда порыва достигает значения, в 2 раза превышающего среднюю скорость. Время возрастания скорости в порыве оказывается примерно равным времени ее снижения, а максимальная величина изменения скорости более чем в 2 раза превышает ее амплитуду. За время, порыва энергия ветро вого потока может изменяться в восемь и более раз.
Шквальность – резкое усиление и ослабление ветра в течение короткого времени, продолжительностью до нескольких десятков минут, сопровождающееся также изменениями его направления.
При порывах и сильных шквалах максимальная скорость ветра у поверхности земли может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 и более м/с. Это необходимо учитывать при разработке и изготовлении ветродвигателя, редуктора и электрического генератора. Для получения максимальной мощности ветроколеса при изменении скорости ветра в размерности м/с² необходимо изменять соответственно угол установки его лопастей.
Направление ветра является самым сложным параметром воздушных течений при реализации его энергии для выработки электроэнергии. Дело в том, что полноценное восприятие энергии ветра ветродвигателем достигается лишь тогда, когда плоскость ветровоспринимающей поверхности традиционного пропеллерного ветроколеса строго перпендикулярна направлению ветра.
Направление ветра измеряется флюгерами разных типов и изображается в виде «розы ветров», суммирующей результаты всех наблюдений по срокам наблюдения с усреднениями.
В Метеорологическом бюллетене направление ветра характеризуется в таких категориях, как «ветер западных направлений, ветер северных направлений, ветер юго – восточный, ветер юго – восточный с переходом на западный» и тому подобное, при этом фиксируется в % повторяемость направления по 8 румбам во времени. Годовая роза ветров приведена на рисунке 1.
Рисунок 1-Годовая роза ветров
Особо важным для пропеллерных ветроагрегатов являются такие параметры ветра, как частота смены направления, скорость изменения направления, длительность случая существования ветра в одном направлении, поскольку плоскость вращения ветроколеса должна быть перпендикулярна направлению ветра в каждый момент времени. Это определяет тяговое усилие лопастей и в конечном итоге мощность ветроагрегата и выработку энергии.
При отклонении угла встречи потока с плоскостью вращения ветроколеса пропеллерных ветроагрегатов от 90º мощность их уменьшается вплоть до 0.
Влияние соответствия угла установки ветроколеса «на ветер» может быть учтено введением в формулу, определяющего мощность ветроколеса, параметра «коэффициент использования направления» (КИН) – , изменяющегося от 1 до 0, где υ - угол между плоскостью вращения ветроколеса и вектором скорости набегающего потока воздуха, а также «коэффициента использования направления» z, характеризующего изменчивость направления ветра во времени с размерностью º/С.
кВт
где F – площадь ветровоспринимающей поверхности.
Параметр z и функция определяют необходимость автоматизации ВЭС для установки «на ветер», создания быстродействующих систем слежения за направлением ветра и оборудования ветроагрегатов различными устройствами ориентации ветроколеса на ветер.
При изменении скорости ветра происходит изменение частоты вращения ветроколеса и связанного с ним ротора электрогенератора, что, в свою очередь, приводит к изменению ЭДС генератора и частоты вырабатываемого тока. Поддержание постоянной частоты вращения обеспечивается регулированием углов установки всех лопастей. Изменения скорости ветра в пределах окружности ветроколеса учитывается сложным профилированием лопастей, разделением их на участки и управлением каждым участком отдельно. Все это приводит к усложнению конструкции ветроагрегатов и используется только в мощных установках.
Воздух, а в особенности ветер, содержит в зависимости от погодных условий пары воды, в виде облаков и туч, капли воды, снежинки в метель и частицы золы, соли и почвы – солевые и песчаные бури.
Присутствие этих включений, очевидно, не меняет общей картины воздушных течений и скоростных характеристик ветра, но влияет на его энергетические показатели.
Переменные газы – водяной пар, двуокись углерода, озон и другие газы. Плотность воздуха при нормальных условиях 1,2928 кг/м3 может меняться с высотой над уровнем и при изменении погодных условий.
Максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при атмосферном давлении, зависит от температуры: чем выше температура, тем при большем содержании водяного пара G происходит насыщение. Это видно из приведенных данных в таблице 1.
Таблица 1
|
Т,°С |
-20 |
-10 |
0 |
10 |
20 |
30 |
|
G, г/м3 |
1,1 |
2,4 |
4,7 |
9,4 |
17,3 |
30,4 |
В связи с этим необходимо создание таких ветроагрегатов, которые бы воспринимали и полезно преобразовывали в механическую энергию вращения не только подъемную силу и динамический напор ветра в соответствии с его скоростью и плотностью.
Это во многом определило перспективность создание агрегатов с вертикальной осью вращения, способных воспринимать и эффективно превращать в электричество энергию ветра любой силы любого направления, любой плотности без каких – либо настроечных операций.
Необходимо научиться эффективно и выгодно использовать энергию ветра.
3 Лекция № 3. Ветроэнергетика, состояние и тенденции развития
Содержание лекции:
- ветроэнергетика в мире и потенциал использования энергии ветра в Казахстане.
Цели лекции:
– показать состояние и тенденции развития энергетики в мире, темпы роста установленной мощности ветроэнергетических агрегатов и участия их в энергетическом балансе стран, уяснить концепцию развития ветроэнергетики и перспективы ее в республике Казахстан.
Ветроэнергетические ресурсы Земли неиссякаемы и носят глобальный характер. Ветроэнергетические ресурсы не добываются. Они проявляются в большей или меньшей степени на различных широтах. Сильные ураганы, где скорость ветра в порывах достигает 45 – 60 м/с, сопровождающиеся ливнями и затоплениями больших территорий, свидетельствуют об изменении климата и увеличении в составе атмосферы конденсируемой части продуктов сгорания углеводородного топлива - водяного пара и переноса ее воздушными течениями по планете.
В решении проблем сохранения климата Земли важнейшая роль принадлежит ветроэнергетике, каждый киловатт час которой предотвращает сжигание 320 – 350 г. угля.
Для выработки электроэнергии ветер используется с 10 – 20 годов ХХ века, к ХХ1 столетию ветроэнергетика приобрела заметное развитие и продолжает развиваться высокими темпами. Ветроэнергетика является наиболее динамично развивающимся коммерческим видом использования возобновляемых, точнее, неисчерпаемых энергетических ресурсов земли. В настоящее время установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) в мире составляет более 80 000 МВт, или 1,8% мировой генерирующей мощности. Происходит постоянный прирост мощности ВЭС до 20-30% в год. Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:
- неисчерпаемый ресурс энергии, не имеющий цены;
- отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов при производстве электрической энергии;
- конкурентная стоимость вырабатываемой электроэнергии;
- развитый мировой рынок ветроэнергетических установок;
- короткие сроки строительства ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке;
- возможность децентрализованного обеспечения электроэнергией потребителей отдаленных районов.
Сегодня более 70 стран мира имеют ВЭС в структуре электроэнергетики. Лидерами по установленной мощности ВЭС являются: Германия, Испания, США, Индия и Дания. Ряд других стран, включая Италию, Англию, Китай Японию, Португалию, Испанию имеют мощности ВЭС более 1000 МВт каждая.
Предполагается, что уже к 2013г установленная мощность ВЭС в мире составит около 150 000 МВт.
Успешно развивается ветроэнергетика для индивидуальных и коллективных потребителей энергии. Так, в США объем продаж малых ветроустановок мощностью от сотен Вт до десятков кВт достигает 17 МВт в год. В ряде стран, например, в Германии, имеется возможность продажи электроэнергии от небольших ветроустановок в общую сеть и, таким образом, получения дохода.
Ветроэнергетика рассматривается не только как источник энергии. Она обеспечивает социально-экономическое развитие, поддерживает энергетическую безопасность и снижает зависимость экономик от цен на топливо, создает рабочие места и создает возможности сокращения выбросов парниковых газов.
Для успешного развития ветроэнергетики в Казахстане создаются политическая, законодательная и организационная поддержка со стороны государства. Для обеспечения этого разработана Концепция Национальной Программы развития ветроэнергетики Республики Казахстан.
Основанием для разработки Национальной Программы являются:
- Постановление Правительства № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики»;
- Проектный Документ совместного проекта Правительства Казахстана и Программы развития ООН «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики», подписанный в 2004г.
Основной целью Национальной Программы развития ветроэнергетики является использование значительного ветрового потенциала Казахстана в производстве электроэнергии для обеспечения устойчивого социального и экономического развития страны на основе сохранения окружающей среды и невозобновляемых запасов органического топлива и во исполнение международных обязательств Республики Казахстан по Рамочной Конвенции ООН по изменению климата, Законов РК «О Энергосбережении», «Об электроэнергетике», Государственной Программы развития электроэнергетики до 2030г, Программы развития единой электроэнергетической системы РК на период до 2010 и на перспективу до 2015г, Стратегии индустриально- инновационного развития Казахстана до 2015г.
Перспективы развития ветроэнергетики в Казахстане определяются тем, что порядка 20% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 6м/С и выше, что создает хорошие предпосылки для его использования. Стоимость электроэнергии от ВЭС в таких местах может составлять порядка 4-6 ц/кВт.ч с учетом инвестиционных затрат и, будет сопоставима со стоимостью электроэнергии на розничном рынке.
На основе вышесказанного основными мотивами развития ветроэнергетики в Казахстане являются: а) сокращение дефицита электроэнергии и поддержка энергетической независимости; б) децентрализация, улучшение надежности и экономичности электроснабжения за счет использования местных источников энергии; в) сохранение запасов органического топлива и сокращение энергоемкости экономики; г) улучшение экологии и снижение выбросов парниковых газов; д) создание новой высокотехнологичной отрасли в энергетике, рабочих мест и улучшение социального положения населения.
Оценка ветроэнергетических ресурсов Казахстана
Потенциал ветровой энергии Казахстана во много раз превышает современное потребление электроэнергии. По некоторым оценкам он составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны, как показано на приведенной ниже карте на рисунке 2.
Рисунок 2 – Потенциал ветровой активности Казахстана
При обосновании возможности строительства крупных ВЭС в том или ином районе используются метеоданные, показанные на вышеприведенной карте. С их помощью оценивается возможное годовое производство электроэнергии в конкретном месте, а также уточняются места детальных исследований ветровых течений.
По международным стандартам данные об энергетическом потенциале ветра получают с помощью мачт высотой 30-45 метров, на которых установлены соответствующие приборы – анемометры для измерения скорости ветра, флюгеры для определения направления, термометры и приборы для измерения влажности ветра. Получаемые в течении как минимум одного года данные с использованием спутниковых систем передаются в центр сбора информации, обрабатываются по специальным методикам и выдаются в виде энергетического потенциала ветра и розы ветров.. Такие измерения были выполнены в Джунгарских воротах и Шелекском коридоре, где среднегодовая скорость ветра составила порядка 7,5м/с и 5,8 м/с с энергетическим потенциалами 525Вт/м2 и 240 Вт/м2, соответственно. Удельная выработка электроэнергии одним киловаттом установленной мощности ветроагрегата в этих местах может составить 4400 кВт.ч/кВт. и 3200кВт.ч/кВт в год. В настоящее время в разных точках Казахстана в эксплуатации находится 8 метеомачт. Для демонстрации перспектив развития ветроэнергетики и строительства крупных ВЭС подготовлен перечень из 25 перспективных площадок в разных регионах. Они определены на основании многолетних данных метеостанций о среднегодовой скорости ветра, а также с учетом следующих факторов:
- близость линий электропередач и подстанций для выдачи мощности от ВЭС;
- наличие местных электроприемников (потребителей) от новых энергоисточников;
- удобство рельефа для размещения агрегатов большой мощности -700 ÷2500 кВт;
- наличие транспортных коммуникаций.
Таблица 2 - Перечень перспективных площадок для строительства ВЭС
|
Наименование площадки
|
Область |
Средне годовая скорость ветра по метео данным, м/с |
Средняя скорость ветра по мировому атласу на выс.50 м |
Рекомендуемая мощность ВЭС, МВт |
Ожидаемая выработка эл.энергии, 1000кВт.ч/ кВт мощности
|
|
|
Северная зона |
|
|||||
|
1 Жарминская |
ВКО |
5,6 |
6 |
40,0 |
2,0 |
|
|
2 Ерейментау |
Акмолинская |
5,4 |
7,7 |
35,0 (20) |
3,3 |
|
|
3 Селетинская |
Акмолинская |
5,9 |
5,8 |
40,0 (20) |
1,7 |
|
|
4 Степногорск |
Акмолинская |
5,2 |
7 |
не определена |
2,8 |
|
|
5 Балхаш |
Карагандинская |
4,4 |
5,9 |
10,0 |
1,8 |
|
|
6 Егиндыбулак |
Карагандинская |
|
7,7 |
не определена |
3,2 |
|
|
7 Каркаралинск |
Карагандинская |
4,3 |
7,7 |
не определена |
3,2 |
|
|
8 Улытау |
Карагандинская |
|
8,3 |
не определена |
3,6 |
|
|
9 Аркалык |
Кустанайская |
5,7 |
6,2 |
10,0 |
2,1 |
|
|
Западная зона |
|
|||||
|
1 Сакрыл |
ЗКО |
5,2 |
6 |
10,0 |
2,0 |
|
|
2 Атырау |
Атыраусская |
4,4 |
7,3 |
40,0 |
2,9 |
|
|
3 Атырау Каработан |
Атыраусская |
|
7,7 |
не определена |
3,2 |
|
|
4 Аккистау |
Атыраусская |
5,5 |
6 |
50,0 (20) |
2,0 |
|
|
5 Индер |
Атыраусская |
5,4 |
6 |
20,0 |
2,0 |
|
|
6 Прорва |
Атыраусская |
6,2 |
7 |
40,0 (20) |
2,8 |
|
|
7 Форт-Шевченко |
Мангыстаусская |
6,0 |
8,2 |
40 (20) |
3,6 |
|
|
8 Сай-Утёс |
Мангыстаусская |
|
7,8 |
не определена |
3,7 |
|
|
Южная зона |
|
|||||
|
1 Курдай |
Жамбыльская |
5,1 |
6,2 |
20,0 (10) |
2,1 |
|
|
2 Аральск |
Кызылординская |
4,9 |
5,2 |
10,0 |
1,1 |
|
|
3 Кармакчинская |
Кызылординская |
5,5 |
5,2 |
20,0 (5) |
1,1 |
|
|
4 Чаян |
ЮКО |
5,0 |
5,8 |
40,0 (20) |
1,7 |
|
|
5 Састобе |
ЮКО |
|
8,5 |
не определена |
3,9 |
|
|
6 Джунгарские ворота |
Алматинская область |
|
9,7 |
50 |
3,9 |
|
|
7 Шелекский коридор |
Алматинская область |
|
7,7 |
100 |
2,9 |
|
Примечание - В скобках указана мощность ВЭС первого этапа строительства.
4 Лекция №4. Ветроэнергетические агрегаты и ветроэлектростанции
Содержание лекции:
- ветроэнергетические агрегаты различных конструкций.
Цель лекции:
- рассмотрение ветроэнергетических агрегатов различной конструкции и принципы их работы.
Ветровые двигатели получают энергию от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру и ветер давит на них с той же силой, определяемой как напор – сила по направлению потока как на парус парусной яхты. Лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения не могут двигаться по направлению ветра и, следовательно, не могут получить большой пользы от силы напора, используемого в колесах парусного типа с большим количеством лопастей простой формы. При малом количестве лопастей треугольной формы напор используется только у основания лопасти для облегчения разворота колеса. Основная энергия 2х, 3х, 4х - лопастных ветродвигателей вырабатывается когда ветер обтекает лопасти как крыло, вызывая тягу так же как возникает подъемная сила крыла самолета.
Подъемная сила Y является следствием несимметричного обтекания тела газообразной средой и пропорциональна плотности среды квадрату скорости движения среды относительно тела или тела относительно среды, характерной величине площади тела и безразмерному коэффициенту подъемной силы.
где - площадь ометаемой поверхности лопасти м2;
– безразмерный коэффициент подъемной силы.
Согласно теории крыла Жуковского безразмерный коэффициент подъемной силы зависит от формы тела - профиля крыла, его установки в пространстве относительно движущейся среды - угла встречи крыла с потоком воздуха (угол атаки) и свойств среды – турбулентности. Для тонкого крыловидного профиля угол атаки, когда подъемная сила достигает максимального значения находится в пределах 5 ÷ 15º. Уменьшение угла атаки ведет к резкому снижению подъемной силы, а увеличение угла, кроме того, ведет и к увеличению силы лобового сопротивления крыла, изгибающей крыло или опрокидывающей ветроагрегат.
Рисунок 3 - Ветроэнергетические агрегаты с горизонтальным расположением оси
Чем длиннее лопасть или больше ее площадь S, тем больше количество ветра и его энергии она может переработать. Точно так же, чем больше скорость ветра, тем больше количество энергии передается лопасти вращения ветроколеса, устанавливаемого перпендикулярно направлению ветра.
В ветроагрегатах с малым количеством лопастей в основном используется «подъемная сила», в многолопастных - сила напора.
где – безразмерный коэффициент преобразования напора или коэффициент лобового сопротивления.
Подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от коэффициентов подъемной силы и коэффициента лобового сопротивления , которые, в свою очередь, зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки , под которым поток ударяет в лопасть рисунок 4.
Линия хорды самая длинная линия в сечении профиля, соединяющая носок и заднюю кромку.
Рисунок 4 – Режим работа крыловидного профиля лопасти
Угол атаки α - это угол между вектором набегания потока и хордой лопасти.
Причины, влияющие на коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ)
Рисунок 5
1 причина – воздушный поток огибает ветряк. Максимальный КИЭВ, который можно получить равен 0,593 от мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность необходимо затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости
2 причина – потеря мощности на вращение отходящего воздуха. Потери на вращение отходящего воздуха будут наибольшими у тихоходных ветряков.
3 причина - в ветряках с небольшим количеством лопастей ветер предпочитает пройти мимо лопастей
4 причина – падение движущей окружной силы, которая зависит от аэродинамического качества лопастей. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров, где вектор подъемной силы отклоняется больше всего от направления движения лопасти.
Если лопастей мало и они сильно нагружены, ветер проходит мимо и теряется для ветряка.
Одним из основных показателей ветроэнергетики является установленная мощность ветроэнергетических агрегатов: в 80-е годы она составляла 100-200 кВт, в конце 80-х - середине 90-х годов мощность агрегатов промышленных станций увеличилась до 300 - 350 кВт. Сейчас Многоагрегатные ветростанции комплектуются агрегатами мощностью от 600 до 4500кВт.
Чем больше мощность ветроагрегата, тем больше его высота и диаметр ветроколеса. Из рисунка следует, что высота башни должна быть не менее 5-10 метров, так как, начиная с этой высоты имеется ветер необходимый для работы станции.
Как следует из рисунка, при увеличении мощности ВЭУ частота вращения ее ротора снижается.
По номинальной мощности ВЭУ разделяют на установки малой, средней и большой мощности.
Рисунок 6 - а) зависимость высоты башни от мощности ветроагрегата; б) зависимость частоты вращения ротора от мощности ветроагрегата
Маломощные установки используются преимущественно для выработки электроэнергии индивидуальным потребителям (до 10 кВт). Как видно из графиков ВЭУ малой мощности имеют большую частоту вращения ротора в пределах 800-200 оборотов в минуту и высоту башни в пределах 5 –15 метров, ВЭУ средней мощности имеют частоту вращения ротора в пределах 170-50 оборотов в минуту и высоту башни в пределах 17 –30 метров.
Установки большой мощности 600 – 4500 кВт используются для выработки электроэнергии в крупном промышленном масштабе. Они имеют частоту вращения ротора в пределах 50-15 оборотов в минуту и высокую башню в пределах 30 –80 метров.
Ветроэнергетические агрегаты малой мощности выпускаются во многих странах для питания автономных объектов. Количество вырабатываемой ими энергии не регистрируются, поэтому не известен реальный коэффициент использования установленной мощности их генераторов, а также энергии воздушного потока. Общим признаком всех приведенных ВЭС является наличие аэродинамических рулей для установки колеса на ветер и вывод ветроколеса из работы при скоростях ветра выше 12 – 15 м/с.
Форма, конструкция и место расположения аэродинамических рулей для постановки ветровых колес перпендикулярно непрерывно меняющемуся направлению ветра являются наиболее сложными элементами ВЭС.
Ветроэнергетические агрегаты с установленной мощностью генераторов 100 – 4500 кВт изготавливаются для выработки электроэнергии в местные электрические сети или в мощные энергетические системы. Постановка ветровых турбин большой мощности на ветер осуществляется посредством специальных механизмов с электрическим или гидравлическим приводом, потребляющим энергию, вырабатываемую самой станцией или забираемой из электрической системы, в которую включены другие электростанции. Для поддержания эксплуатационных параметров агрегатов применяются тонкие компьютерные системы ориентирования ветроколеса и отдельных лопастей в соответствии с направлением и скоростью воздушных течений
Наиболее благоприятной территорией для размещения пропеллерных ВЭС, принимающих ветер только с одной стороны, являются побережья океанов и морей, где ветер имеет преимущественно одно направление и незначительное «блуждание» направления в пределах ±35¸450. В этих условиях устанавливаются многоагрегатные ветростанции «ВЕТРОПАРКИ», где коэффициент использования установленной агрегатов мощности (КИУМ) ВЭС достигает 16-20%. Однако, когда ветер имеет двухвекторную или многовекторную розы ветров, типичные для континентальных районов, КИУМ и производительность ВЭС снижается более чем в два раза.
Сила напора при конструировании ветроагрегатов в чистом виде не используется. Ее действие реализуется в многолопастных ветродвигателях малой мощности в комбинации с подъемной силой крыла. Она также как и подъемная сила зависит от угла установки лопасти относительно вектора скорости ветра и достигает максимума при угле атаки α.= 45º .
Как было показано ранее, ветер обладает двумя главными характеристиками: скорость и направление. Одновременно он может создавать динамический напор и подъемную силу. Для повышения экономических показателей ветроэнергетики необходимо, чтобы энергия ветра полностью использовалась при любых изменениях его скорости и направления. Этими свойствами обладают ветроагрегаты с вертикальным расположением оси вращения ветроколеса, таких как турбина Дарье и вертикально - осевая турбина с направляющим аппаратом (рисунок 7).
Вертикально – осевая ветровая турбина состоит из внешней неподвижной части – статора и расположенного внутри него вращающегося ротора, лопатки которого, образуют активную и реактивную ступени турбины. Направляющий аппарат имеет определяемое расчетом количество пластин. Ротор турбины содержит определенное количество выпукло-вогнутых лопаток, равномерно расположенных по окружности.
При обтекании профиля лопатки на нем возникают различные давления: у выпуклой поверхности возникает разрежение – подъемная сила, а у вогнутой – избыточное давление - напор. Действующие одновременно оба эти явления вызывают силу, перемещающую лопатку и вращающую ротор.
Диффузорная конфигурация межлопаточного пространства ротора и пространства между пластинами направляющего аппарата способствуют удалению из турбины отработавшего воздуха и повышению коэффициента использования его энергии.
Оптимальное число лопаток рабочего колеса определяется по соответствующей методике.
а) б)
Рисунок 7 - Вертикально – осевая ветровая турбина: а) Общий вид турбины; б) - Сечение турбины по горизонтальной поверхности
Направляющий аппарат содержит 12 пластин, роторы имеют, например, 18 лопаток (б). Геометрические параметры ротора – внешний - D1 и внутренний D2 диаметры ротора находятся в соотношении D1/D2=1,2¸1,45.
Необходимый конструктивный элемент ВОВТ, влияющий на динамические характеристики агрегата, предназначенный для усиления ветрового потока на роторе – это направляющий аппарат.
Направляющий аппарат концентрирует воздушный поток и направляет его на лопатки ротора, обеспечивает использование энергии порывов и шквалов. Одновременно в 1,5 – 1,6 раз увеличивается частота вращения ротора и развиваемая турбиной мощность.
Высота ротора ветровой турбины является параметром, определяющим ее мощность и для увеличения мощности турбины кроме увеличения диаметра необходимо увеличивать высоту. Высоту турбины ограничивает устойчивость и прочность лопаток, создающих тяговое усилие и действие центробежных сил. Поэтому здесь реализуется принцип построения турбины из отдельных модулей - статор - ротор, а для повышения прочности ротора внутри него устанавливаются дистанционные диски через расстояния, в пределах 0,5¸1,6 его диаметра.
Высота многомодульных ВЭА равна общей высоте установленных друг на друга модулей и основания, в котором размещается электрогенератор.
Мощность ВОВТ формируется по двум направлениям: изменение диаметра турбины, высоты и числа модулей.
Ветростанции с вертикально – осевыми турбинами обладают рядом преимуществ по сравнению с пропеллерными:
- используют напор ветра и подъемную силу, формирующиеся на профиле лопаток ротора;
-.не имеют зависимости развиваемой мощности от направления ветра;
- способны работать на порывистых и ураганных ветрах;
- имеют на пра в ля ю щий ап па ра т, уве ли чи ва ю щий удель ную мощ ность ро то ра в 2- 2, 5 раза по сравнению с открытым ротором;
-генератор находится внизу установки, что удобно при монтаже и техническом обслуживании;
- имеется возможность изменения мощности ветровой турбины и генератора без изменения конфигурации установленной ВЭС.
Электрические генераторы, входящие в состав ВЭС с вертикально осевыми турбинами выдают постоянное напряжение при изменяющейся в широких пределах частоте вращения ротора и развивают мощность, соответствующую скорости ветра. Разработанная в АИЭС система автоматического управления генератором и нагрузкой ветроэлектростанции позволяет получить высокое значение коэффициента использования установленной мощности ВЭС.
Возможность реализации энергии порывов и накопления ее для последующего использования обеспечивается новыми типами аккумуляторных батарей, скорость восприятия энергии которыми составляет 0,5% емкости в секунду.
5 Лекция №5. Энергия Солнца. Солнечное электричество
Содержание лекции:
- потенциал солнечной энергии, преобразование фотон - электрон, структура и свойства фотоэлементов, свойства и применение.
Цели лекции: разъяснить энергетические основы солнечной энергетики, перспективность её для создания промышленных источников электроэнергии, определить основные принципы преобразования энергии видимого излучения в электрическую энергию, изучить энергетические характеристики, технические и экономические показатели фотопреобразователей.
Солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сокращении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды.
В Республике Казахстан продолжительность солнечного сияния, обеспечивающего поступление лучистой энергии на горизонтальную поверхность в пределах 1280 – 2300 кВт. ч./м 2 составляет от 2000 до 3000 часов в год из общего количества 8760 (8736) часов.
Суммарный годовой потенциал солнечной энергии на территории Казахстана оценивается порядка 340 млрд.тонн условного топлива.
Источник лучистой энергии - Солнце - раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Светимость Солнца 3,86х10 в 23 степени кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород - около 90% , гелий – 10%, другие элементы – менее 0,1%.
Источник энергии Солнца – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн. К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0,2 радиуса шара – конвекцией. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн. км поступает поток солнечной лучистой энергии мощностью около 2 1017 Вт.
Спектр солнечного излучения охватывает диапазон от гамма излучения до метровых радиоволн. В видимой области солнечный спектр близок к излучению абсолютно чёрного тела при температуре около 6000 К и имеет энергетический максимум в области 430 – 500 нм. Излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм входит в понятие «свет», что по гречески - Фотос . К этому диапазону примыкает невидимое, но переносящее большую энергию, длинноволновое инфракрасное излучение и коротковолновое ультрафиолетовое излучение. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения атмосферной массой - парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей, за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света образуют понятие – оптическая плотность атмосферы. На верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения равна = 1360 Вт\м².
В диапазоне оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и корпускулярная. Квант электромагнитного излучения – ФОТОН - элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента.
Фотоны взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на p – n переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента. Фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, способных осуществить переход «фотон – электрон» и «электрон – фотон». На этом явлении основана фотопроводимость и работа фоторезисторов, фотодиодов, фотоэлементов - преобразователей световой энергии в электрическую.
Длинноволновое инфракрасное излучение не производит фототока, а только разогревает полупроводник.
Вентильный фотоэффект или фотоэлектрический эффект – это возникновение ЭДС в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона. С увеличением интенсивности лучистого потока величина этой ЭДС возрастает, достигая насыщения при больших освещённостях.
Фотоэлектрический эффект и солнечная батарея являются основой новой отрасли энергетики – «фотовольтаники» - использования солнечного света для производства электрической энергии.
Солнечный фотоэлемент (рисунок 8) изготавливается из пластины полупроводникового материала, например, кремния со строго дозированным содержанием специальных добавок, создающих области с P- и N- типами проводимости, размещаемой между электродами.
Нижний электрод – пластина, верхний электрод – тонкие токосъемные сетки, которые предназначены для припайки к ним проводников. При использовании в качестве солнечного элемента аморфного или кристаллического кремния коллекторными материалами служат олово или индий. Полученные после сборки пластин ячейки в зависимости от размеров характеризуются величиной вырабатываемого ими напряжения и тока, пропорционально падающему на них излучению.
Рисунок 8 – Принцип работы фотоэлектрического преобразователя
При поглощении фотонов в полупроводнике одновремённо освобождаются электроны и дырки, образующие пары «электрон – дырка». Электроны из заполненной зоны переходят в свободную зону, становясь электронами проводимости, а дырки остаются в заполненной зоне, и также могут участвовать в электропроводности. При подходе к P-N переходу пары под действием контактного электрического поля разделяются: электроны идут в электронный полупроводник, а дырки переходят в дырочный полупроводник. В результате возникает динамическое равновесие, когда число носителей зарядов, перемещающихся в единицу времени через запирающий слой, сравнивается с числом носителей, перемещающихся в обратном направлении. При этом между верхним и нижним электродами устанавливается разность потенциалов, представляющая собой фотоэлектродвижущую силу.
К веществам, образующих системы, в которых обнаруживается фотоэлектричество в первую очередь относятся кремний, германий, селен, Tl2S, Ag2S, CdS, CdTe,GaAs,Al,AlSb. Для изготовления солнечных источников электроэнергии применяются в основном кремниевые фотоэлементы, обладающие более высоким кпд преобразования энергии.
Электропроводность кремния зависит от малейших примесей и внешних электромагнитных воздействий. Для изготовления фотоэлементов применяется сверхчистый кремний «солнечного качества» разной кристаллической структуры – от монокристаллов до микрокристаллических фракций чистотой 99,9999%, из которого изготавливаются солнечные элементы.
Солнечный элемент представляет собой плёночную структуру, в которой под действием сета происходят P-N переходы, а на освещённом и теневом электродах возникает разность потенциалов, способная обеспечить протекание тока по замыкающим электроды проводникам.
По такой схеме изготовляются многослойные конструкции солнечной ячейки, создающие ЭДС при облучении световым потоком.
Соединённые последовательно и параллельно ячейки образуют модули, содержащие, например,36 ячеек. В свою очередь модули собираются в панели мощностью от нескольких ватт до 150 - сотен кВт. Солнечные панели размещаются на открытой местности, на крышах домов, на освещаемых поверхностях различных сооружений. Они вырабатывают постоянный ток, подаваемый на зарядку аккумуляторной батареи, а затем через инвертор получают переменный ток стандартного качества.
Вольтамперные характеристики элемента (ВАХ) при различных мощностях светового потока.
Рисунок 9 – Вольт-амперная характеристика солнечного элемента
Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, зависит от размеров элемента. Величина тока зависит от интенсивности света и так же от размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.
Пиковая (максимальная) мощность солнечного элемента соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В.
Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить цепочки параллельно, получив, так называемое, последовательно-параллельное соединение, характеризующееся увеличением мощности.
Важным показателем работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002 вольт, т.е. 0,4 %/градус. На рисунке приведены семейство ВАХ для температур 25о С и 60о С.
В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70оС, теряя 0,07-0,09 вольт каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводящей к падению напряжения, генерируемого элементом. Для поддержания КПД на расчетном уровне применяется водяное или воздушное охлаждение элементов. Обычно КПД солнечного элемента колеблется в пределах 10-16 %. Солнечная ячейка размером 100х100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.
Электрические параметры для отдельного солнечного элемента представляются в виде вольтамперной характеристики при стандартных условиях. Стандартными условиями работы элементов являются: освещенность 1000 Вт/м2, температура 25оС, солнечный спектр на широте 45о.
Солнечные модули являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем (ФЭС) в энергетике. Они могут быть изготовлены с любым выходным напряжением.
При наземном использовании ФЭС обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии.
Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением -), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током -).
Следует повторить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как рабочий ток, прямо пропорционален освещенности.
Модуль мощностью в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии
где - значение инсоляции (поступившей лучистой энергии) за выбранный период;
- коэффициент поправки равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывающий изменение угла падения лучей на поверхность модулей в течение дня.
Разница значения коэффициента зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.
Исходя из суммарной мощности, потребляемой конкретным потребителем энергии и приведенной выше формулы, определяется суммарная мощность модулей, обеспечивающих совместно с аккумуляторной батареей питание заданной нагрузки. При использовании ФЭС рекомендуется максимально снижать мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы.
Эффективность преобразования световой энергии в электрическую на кремниевых элементах достигает порядка 16 – 20 % от мощности падающего на пластинку светового потока. Наибольшее распространение фотовольтаика получила для энергообеспечения автономных объектов, ферм, сельских больниц, уличного освещения. Доля солнечной энергии в общем объёме пиковой энергии к 2015 году достгнет15 – 20 %.
В США начато строительства супермощной солнечной электростанции занимающей площадь 11449 квадратных миль, способной покрыть большую часть потребности Соединенных Штатов в электроэнергии.
Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в Казахстане – Приаралье, Кзылординская и Южно-Казахстанская области – испытывают дефицит электроэнергии
6 Лекция №6. Энергия Солнца. Солнечное тепло
Содержание лекции: Энергетические возможности солнечной энергетики, энергетические преобразования и конструктивная схема гелионагревателей.
Цели лекции: показать возможности использования энергии Солнца для получения низкопотенциальной тепловой энергии, изучить принципы конструирования и использования гелионагревателей в системах обеспечения горячей водой жилых и производственных помещений.
Излучение Солнца является энергетической основой производства низкопотенциального тепла, используемого в системах отопления зданий и горячего водоснабжения для бытовых нужд. Рабочие органы солнечных нагревательных установок - гелионагреватели, являются самостоятельными отдельными устройством или входящими в архитектурное решение зданий.
Гелионагреватели. По оценкам общий возможный энергетический потенциал использования гелионагревателей для теплоснабжения городов и населенных пунктов Казахстана составляет около 10 млн. тут, что составляет более 12 % от общего потребления топлива.
Интерес к использованию теплового действия солнечной энергии в промышленных установках возник примерно с 1973 г., т.е. с начала энергетического кризиса в некоторых развитых странах. Главной идеей этого направления является концентрация солнечного излучения с помощью зеркал и линз с целью достижения в фокусе концентраторов температуры (2,5 – 3,5)×103 К. Так возникли установки для плавки металлов, котлы для получения горячей воды и пара, а также солнечные электростанции паротурбинного цикла – башенные солнечные электростанции. Они содержат зеркальный концентратор – гелиостат, снабженный механизмом поворота зеркал для слежения за Солнцем и поддержания фокуса зеркал на паровом котле. Паровой котел вырабатывает пар, подаваемый в паровую турбину, соединенную с электрическим генератором. В состав СЭС входят также конденсатор пара, питательный насос, трансформаторная подстанция и электрическое распределительное устройство для выдачи энергии в энергосистему.
Солнечная станция мощностью 150-200 МВт занимает площадь 2,5 – 3,5 км 2 под зеркала.
Тепловая мощность СЭС определяется из соотношения
где – солнечная радиация кВт/м2;
– площадь зеркал;
– отражательная способность зеркал (0,75);
- учитывает угол падения излучения на гелиостаты при постоянном слежении за Солнцем и импульсном движении;
- коэффициент поглощения поверхности котла;
- коэффициент запыления при периодической чистке поверхности зеркал;
- коэффициент тепловых потерь;
- мощность электроприемников собственных нужд станции: питательных насосов, электроприводов поворота зеркал, наружное и внутреннее освещение.
Это новый тип электростанций считается способным конкурировать со станциями, работающими на мазуте, газе и, тем более, на угле. Во многих странах мира успешно эксплуатируется СЭС мощностью от 10 МВт (площадь 52 Га, 1818 гелиостатов, бойлер на высоте 95 м, температура пара 510 °С) до 100 МВт в Европе – Испания, Сицилия, Франция, Италия.
В Японии наряду с несколькими действующими СЭС мощностью порядка 10 МВт сооружается СЭС мощностью 1000 МВт с гелиостатами площадью 30 км 2 в море на мелководье.
Начала работать Крымская СЭС (1600 плоских зеркал 5 х 5 м, бойлер на высоте 70 м, выработка пара 28 т/ч, давление 4 Па, температура 250 °С).
Несмотря на то, что в Республике Казахстан широко развита система централизованного теплоснабжения в городах и в крупных поселках городского типа, около 45% всей производимой низкопотенциальной теплоты приходится на долю малых установок, использующих, в основном, уголь. Индивидуальные котельные и системы отопления малых домов являются источниками дыма, создающими плотный слой газов над городом. Проблема организации экологически чистого теплоснабжения может решаться путем перевода малых котельных на газообразное топливо, где есть дешевый газ или установкой систем, преобразующих в тепло излучение Солнца. В этом направлении используются два типа гелионагревателей – плоские и трубчатые.
Плоские гелионагреватели обычно изготавливаются из металлического или пластмассового листа с черным поглощающим свет покрытием, на котором расположены металлические или пластмассовые трубки. По трубкам прокачивается вода в одноконтурных нагревателях, либо незамерзающая жидкость (в двухконтурных системах). Изменение мощности нагревателя производится увеличением или уменьшением его площади. Для повышения эффективности гелионагреватели снабжаются устройствами поворота при слежении за положением Солнца и возврата в положение «на восток» в ночное время под разными углами, соответствующими временам года, а также системами хранения тепла типа термосов.
Трубчатые гелионагреватели в настоящее время получили наибольшее распространенные в мире. Они имеют наружную трубу, выполненную из специального стекла, пропускающего вовнутрь всю энергию, поступающую от Солнца. Внутренняя труба изготовлена из стекла, имеющего высокую теплопроводность и покрыта специальным составом, активно поглощающим солнечное излучение – ультрадисперсным черным порошком на основе оксида алюминия с размерами частиц 2 – 3 нМ В кольцевом зазоре между трубами создан высокий вакуум С одного конца трубы спаяны, внутренний конец внутренней трубы удерживается пружиной, на которой нанесен специальный состав, поглощающий остатки газа в межтрубном зазоре. Высокий вакуум в зазоре необходим для предотвращения передачи тепла от нагревающейся внутренней трубы к наружной и далее в окружающее пространство, т.е. для получения высокого КПД нагревателя.
Трубы располагаются на наклонной поверхности, устанавливаемой под такими углами, чтобы на каждой широте Земного шара в любое время года можно было получить на них максимальную освещенность. При переходах от зимы к весне, от весны к лету, от осени к зиме производят переустановку наклона панелей гелионагревателей. Благодаря установке труб на определенном расстоянии друг от друга, равном приблизительно диаметру труб, отсутствует необходимость поворота панели нагревателей вслед за солнцем. Это является существенным преимуществом трубчатых гелионагревателей, по сравнению с плоскими. Принцип работы трубчатых гелионагревателей состоит в следующем.
В нижнюю часть расширительного бака поступает холодная вода. В результате поглощения солнечной энергии вода, прилегающая к внешней поверхности труб нагревается и всплывает на поверхность бака, холодная вода стекает вниз. Так продолжается до тех пор, пока вся вода не нагреется до температуры, соответствующей интенсивности солнечного излучения в данное время.
Трубчатые нагреватели для двухконтурных систем. Они применяются в климатических условиях имеющих низкие температуры в ночное время и при невозможности использования воды как средства переноса энергии. Солнечные нагреватели для двухконтурных систем содержат тепловые медные трубы, наполненные незамерзающей низкокипящей неядовитой жидкостью, с помощью которой тепло переносится от солнечной теплообменной поверхности к наконечнику тепловой трубы, погружаемому в нагреваемую воду. Медная тепловая труба покрытая поглощающим свет составом, содержащая незамерзающую нетоксичную жидкость находится внутри коаксиально расположенных труб(Evacuated Tube),между которыми удален воздух. При нагреве горячий пар переходит в верхнюю часть тепловой трубы и нагревает ее наконечник (окрашено к красный цвет). Охлажденный пар и холодная жидкость( окрашено в синий цвет) от наконечника трубы опускается вниз и цикл повторяется. Солнечная система для подогрева воды в закрытом плавательном бассейне содержит солнечные панели с принудительной прокачкой воды, теплообменные емкости, циркуляционные насосы и угольные фильтры.
7 Лекция №7. Гидроэнергетика
Содержание лекции:
- работа водного потока, структурные схемы гидроэлектростанций, классы и характеристики гидравлических турбин и генераторов.
Цель лекции: показать способы и технические средства преобразования энергии движущейся воды в электроэнергию, возможности развития «малой гидроэнергетики в Казахстане».
Вода, являясь одним из наиболее распространенных и наиболее подвижных тел Природы, участвует во всех физических, химических и биологических процессах, совершающихся на Земле. В связи с постоянным перемещением воды в природе, ее круговоротом, водные ресурсы являются возобновляемыми.
Часть водных ресурсов, которая может быть использована для производства электроэнергии, относится к гидроэнергетическим ресурсам. Для выработки электрической энергии могут быть использованы приливы и отливы мирового океана, морские волны, глобальные морские течения, как, например, Гольфстрим и Куросиво, тепло океана, вода рек. В настоящее время интенсивно исследуется возможность использования энергии малых рек, ранее в балансе экономических гидроресурсов не учитывавшихся. Они могут быть использованы для снабжения электроэнергией местных потребителей и создания местных энергетических систем с участием ветроэлектростанций и солнечных преобразователей.
Отличительной особенностью речного стока является его изменчивость во времени. Для стабилизации расхода и напора воды сооружаются водохранилища, обеспечивающие накопление воды и суточное, сезонное или многолетнее регулирование ее расхода. При этом используется каскадный принцип освоения водных ресурсов, когда энергия реки используется несколькими, расположенными друг за другом ГЭС, при этом в каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные гидроэлектростанции. Примером может служить каскад Алматинских ГЭС, где ГЭС – 1 плотинная, ГЭС – 2 и остальные - деривационные. Чтобы получить достаточные сведения о мощности реки в месте сооружения ГЭС, надо выполнить следующие работы: а) топографическую рекогносцировку; б) измерение уровней воды; в) определение расходов воды.
Топографические материалы служат для определения напора, границ затопления сельскохозяйственных угодий при сооружении водохранилищ, площади и объема водохранилища, а также для выбора места сооружения ГЭС. Для малых ГЭС (до 15 кВт) инструментальных топографических работ можно не делать, а ограничиться глазомерной съемкой.
Расход воды определить труднее, чем ее напор, главным образом потому, что неясно, какой из расходов реки считать обычным продолжительным расходом в течение года (так называемым меженным расходом).
При отсутствие плотины расход воды в реке можно определить, измеряя среднюю скорость речного потока v м/сек и площадь сечения реки в месте замера S м2.
Скорость потока измеряют поплавком или более точно – гидрометрическими вертушками.
Так как поплавок показывает скорость только верхнего слоя воды, т.е. наибольшую скорость речного потока, то найденную среднюю скорость v м/с надо уменьшить примерно на 25%, т.е. умножить ее на 0,75.
Вычисляя площадь сечения реки путем суммирования отдельных элементарных площадок, надо учитывать неправильность формы этого сечения (Площадь сечения потока в прямоугольном лотке равна произведению ширины этого потока на его высоту).
Таким образом, расход воды (м3 сек) будет равен
.
Структурные схемы гидроэлектростанций
Для превращения речного стока в гидроэнергетические ресурсы необходимо несколько компонентов:
- водохранилище, образующееся при перегораживании русла реки плотиной, создающей напор перед турбиной;
- напорная деривация – трубопровод, подающий воду в турбину.
Водохранилище отличается от естественного водоема – озера тем, что оно является регулятором речного стока и имеет переменный уровень в зависимости от величины поступления воды и расхода ее через турбины ГЭС.
Рассмотрим и поясним некоторые основные положения, определения и термины. Период аккумуляции речного стока называется наполнением водохранилища, а период отдачи накоплений воды - сработкой водохранилища. Как наполнение водохранилища, так и его сработка в нормальных условиях производится до некоторых предельных уровней.
Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями, носит название нормального подпорного уровня (НПУ). Объем водохранилища при этом уровне называется полным объемом и обозначается .
Минимальный уровень водохранилища, до которого возможна его сработка в условиях нормальной эксплуатации, называется уровнем мертвого объема . Этот объем определяется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Объем воды между НПУ и УМО называется полезным , так как именно этот объем может быть использован для удовлетворения различных целей. Объем же воды, находящейся ниже УМО, называется мертвым , поскольку он не может быть использован в нормальных условиях эксплуатации. Таким образом, .
В общем виде уравнение водного баланса водохранилища за некоторое время Т может быть представлено следующим равенством
где - зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла;
- приток воды в водохранилище за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой приток, для каскада - приток от вышележащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами);
- использованный объем водохранилища за период Т (в формуле знак плюс относится к периоду сработки, знак минус — к периоду наполнения водохранилища);
и - стоки: забираемый из водохранилища и возвращаемый соответственно;
- потери воды из водохранилища за время Т (они обычно включают потери на фильтрацию, льдообразование и расход через шлюзы, если они имеются).
Период накопления в водохранилище паводковых или регулярных вод называется наполнением, а период отдачи накопленной воды – сработкой водохранилища. Сработка водохранилища производится через водоводы гидроэлектростанций.
Гидравлическая энергия водоводов представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода. Силой, осуществляющей работу водного потока, является собственный вес воды и скорость ее движения. Энергия воды определяется напором, т.е. разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка водотока и расходом в единицу времени.
Если падение участка водотока (реки) длиной L, м, составляет H, м, то при расходе воды Q, м3/сек, равном его среднему значению в начале и конце участка, работа текущей воды в течение 1 сек, т.е. мощность водотока N на рассматриваемом участке, составляет
,
если – плотность воды, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения м/с2, тогда
, кВт.
Энергия водотока , определяемая произведением мощности на время t, составляет,
, кВт.ч
где – объем используемого стока, м3.
Формулы мощности водотока выражают потенциальную мощность и выработку электроэнергии. Реальная или техническая мощность будет меньше за счет потерь в гидротехнических сооружениях, подводящих воду из реки к турбинам, в самих турбинах и генераторах ГЭС, учитываемых коэффициентом полезного действия . Тогда получим полезную мощность, кВт
и соответственно электроэнергию
кВт.ч.
Для определения мощности гидростанции необходимо знать режим реки, т.е. как колеблется в течение года количество протекающей в ней воды и разность уровней воды в начале и в конце используемого участка водотока, который в равнинной местности достигает несколько сот метров, а в горной – от сотен до тысячи и более метров.
В зависимости от величины и распределения речного стока в течение года, возможности регулирования стока (наличие водохранилища) и потребности в электроэнергии в отдельные периоды решается вопрос выбора типа и мощности гидравлической турбины ГЭС.
Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса.
Турбины бывают активные (или свободноструйные) и реактивные.
Активная турбина работает за счет кинетической энергии струи, выходящей из сопла под давлением, созданным напором Н, струя воды направляется соплом на лопатки рабочего колеса.
Активные турбины применяют в основном при больших напорах (до 1000 м и более) и малых расходов воды.
Существуют следующие системы активных турбин: ковшовые, наклонно-струйные и двукратные.
Наиболее простая в конструктивном отношении – двукратная турбина. Она имеет горизонтальный вал с двумя, а иногда с тремя дисками, между которыми закреплены изогнутые лопасти, расположенные своими продольными кромками параллельно валу турбины. Воду к турбине подводят плоским соплом шириной несколько меньшей, чем ширина лопастей рабочего колеса турбины.
Вода из сопла поступает на лопасти рабочего колеса и, пройдя внутри колеса, вновь поступает на лопасти, но уже с внутренней стороны, отдав еще раз энергию, она выходит наружу. Таким образом, вода дважды попадает на лопасти рабочего колеса, поэтому турбина и называется двукратной. При первом прохождении струи через лопасти колеса, она отдает ему 70–80 % полезной энергии и при втором 30–20 %. Такие турбины мощностью от 1 до 250 кВт чаще применяют при напорах от 2 до 100 м.
Наклонно-струйные турбины предназначают для напоров от 30 до 400 м и изготавливают мощностью от 10 до 4000 кВт. Они могут быть выполнены как горизонтальными, так и вертикальными.
Ковшовые турбины применяют при напорах от 50 до 1000 м и выше. Их рассчитывают на мощность от нескольких десятков до несколько десятков тысяч киловатт. Они могут быть как горизонтальными, так и вертикальными и могут иметь 1 – 4 сопла. Увеличение числа сопел позволяет при тех же габаритах увеличить мощность турбины.
Реактивные турбины работают главным образом за счет потенциальной энергии воды, создаваемой напором, и частично за счет кинетической энергии движущейся струи.
Если рабочее колесо активной турбины вращается в воздухе при атмосферном давлении и поток воды воздействует только на часть его лопастей, то в колесе реактивной турбины все каналы между лопастями сплошь заполнены водой.
Наиболее совершенны осевые поворотно-лопастные, пропеллерные и радиально-осевые реактивные турбины.
У осевых турбин в зоне лопастей рабочего колеса поток имеет осевое направление движения, а в радиально-осевых турбинах – радиально-осевое направление.
Осевые турбины могут быть поворотно-лопастными и пропеллерными. Последние отличаются от первых жестким креплением лопастей на втулке рабочего колеса. Обычно осевые турбины применяют при малых напорах (от 1,5 до 50 м) и больших расходах воды.
Радиально-осевые турбины применяют в области напоров от 2 до 300 м.
Каждая реактивная турбина имеет напорную камеру (открытую или открытую) и направляющий аппарат. Направляющий аппарат изменяет направление потока воды, поступающего на лопасти рабочего колеса, и одновременно регулирует расход воды в соответствии с изменениями нагрузки турбины. Гидравлическая турбина и соединенный с ее валом электрический генератор образуют гидроэнергетический агрегат, устанавливаемый в здании гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции на малых реках имеют одну или несколько агрегатов, включаемых в работу в соответствии с графиком нагрузки потребителей.
Перечень наиболее перспективных для строительства и восстановления крупных, средних, малых и мини гидроэлектростанций на реках и гидросооружениях Алматинской области включает 8 ГЭС мощностью более 50 МВт суммарной мощностью 1325 МВт, 34 ГЭС мощностью от 10 до 50 МВт общей мощностью 820,4 МВт,
17 ГЭС мощностью от 1 до 10 МВт суммарной мощностью 97, 8 МВт. Мини ГЭС до 1 МВт. Общая мощность их составляет 7,2 МВт. Все проекты проходят по первой очереди программы на 2006-2010 годы.
Большой экономический эффект возникает при создании местных энергетических систем, содержащих гидроэлектростанции и ветроэлектростанции. Это определяется тем, что летом реки несут больше воды, чем зимой и она может накапливаться в водохранилище и срабатываться по мере надобности. Ветровая активность более высокая в зимнее время потребность в электроэнергии может удовлетворяться за счет ветроэлектростанций. Примером такого удачного сочетания могут быть Джунгарские ворота и втекающая в них горная река. Удельная стоимость сооружения гидроэлектростанций находится в пределах 6000 – 7000 долл.США за 1 кВт установленной мощности.
8 Лекция №8. Геотермальная энергетика и биотопливо
Содержание лекции:
-тепло Земли, геотермальная энергетика, теплоснабжение, биотопливо.
Цель лекции:
- показать возможности и способы использования тепла Земли для получения тепловой и электрической энергии, перспективы геоэнергетики в Казахстане, возможности и распространение биоэнергетики.
Тепловые потоки от физических процессов, происходящих в ядре Земли достигают поверхности и обнаруживаются на глубинах, доступных для современных средств бурения скважин. В районах с высокой вулканической активностью тепловые потоки в виде гейзеров достигают поверхности Земли и используются на геотепловых станциях. Например, в Новой Зеландии более 40%, в Италии более 6% электроэнергии вырабатывается на ГеоТЭС
В Казахстане геотермальные источники были открыты при разведке нефтяных и газовых месторождений. Так, в г. Жаркенте Алматинской области имеются пригодные для промышленного использования термальные воды с температурой 88-960С. Дебит одой скважины до 3000 м3 в сутки. Проведены геотермические исследования на глубинах до 6500 м с интервалом 500 м в том числе по:
Прикаспийской впадине: 30 скважин до глубины 6500 м, максимальная температура 118 оС, максимальный градиент 27 оС на 1000 м.
Мангышлак-Устюрсткой системе: 17 скважин до глубины 3250 м, максимальная температура 150 оС, максимальный градиент 35,8 оС/км.
Тургаю и Северному Приаралью: 5 скважин до глубины 2900 м, максимальная температура 100 оС, максимальный градиент 27,8 оС/км.
Иртышской впадине: 6 скважин до глубины 2000 м, максимальная температура 60 оС, максимальный градиент 58 оС/км.
Илийской впадине: 20 скважин до глубины 3800 м, максимальная температура 165 оС, максимальный градиент 32 оС/км.
Сырдарьинской впадине: 13 скважин до глубины 2100 м, максимальная температура 83 оС, максимальный градиент 40 оС/км.
Чу-Сарысуйской впадине: 6 скважин до глубины 1400 м, максимальная температура 63 оС, максимальный градиент 28 оС/км.
Пригодными для сооружения ГеоТЭС являются горизонты3800м в Илийской впадине и 3250м в Мангышлак – Устюрстской системе.
Одна скважина с дебитом 50 л/с и давлением воды на поверхности земли 9 кг/см2 может быть использована для производства электроэнергии на мини ГЭС мощностью 3,0 - 3,5 кВт и обеспечивать тепловой энергией в количестве до 9 - 10 Гкал/ч.
Основное и широкое применение тепло Земли находит при получении энергии для систем отопления и теплоснабжения с использованием тепловых насосных установок (ТНУ). Они производят в 3 - 7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической на привод компрессора и считаются эффективными источниками высокопотенциальной теплоты за счет аккумулирования тепла от грунтовых и артезианских вод, озер, морей, очищенных бытовых стоков, использования грунтового тепла земных недр и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.
Многие страны мира - США, Япония, Швеция, Германия, Финляндия и другие используют ТНУ в системах отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных помещений. Так, в Швеции 50 % отапливаемых площадей обеспечиваются ТНУ. В Стокгольме 12 % отопления города производится тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник теплоты Балтийское море с температурой воды +80 С. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля ТНУ в теплоснабжении составит 75 %.
В последние годы (1999-2007 г.г.) работы в этом направлении ведутся и в Республике Казахстан.Здесь эффективность применения тепловых насосов будет высокой ввиду большой продолжительности отопительного периода, достигающего от 200 до 250 дней в году.
Биоэнергетика. К возобновляемым энергетическим ресурсам относится древесина, горючие бытовые отходы, биомасса, зерновые материалы –пшеница,маис и получаемые из них биотопливо – биогаз, биодизель, биоэтанол.
Мировое потребление биодизельного топлива, вырабатываемого на основе растительного масла, выросло за последние 2 года в 2,5 раза – с 2 млрд. литров в 2003 году до примерно 5 млрд. литров в 2005 году. К 2020 году объемы его выпуска могут достичь 24 млрд. литров.
Биоэтанол в настоящее время составляет лишь 2% от мирового использования автомобильного топлива. Но к 2025 году его доля может достичь 30%. В Бразилии наиболее активно развивается рынок биоэтанола, получаемого из остатков тростникового сырья для сахарного производства. В Казахстане стабильным источником биомассы для производства энергии могут быть отходы сельскохозяйственного производства, растениеводческая продукция технического характера, а также излишки продовольственного сырья. Имеющиеся сырьевые ресурсы растениеводства (целлюлозный ресурс – 9 млн. тонн, свободный остаток зерна – 1,9 млн. тонн, низкокачественная пшеница, идущая на корм скоту, - 1 млн. тонн, малосемена – 1 млн. тонн), позволяют без ущерба для пищевой и комбикормовой промышленности организовать производство свыше 4 млрд. литров биотоплива в год. На использовании пшеницы построен завод «Биохим» в поселке «Таинша» Петропавловской области.
Заключение. Есть ещё много других природных явлений, обладающих значительной внутренней энергией и много способов превращения её в управляемую энергию, когда каждый сам себе может предоставить столько энергии, сколько нужно для его дела и быта. Не нарушая условия жизни других.
Литература
1. Непорожний П.С., Обрезков.и. Введение в специальность: гидроэнергетика: Учебник для вузов. – Москва: Энергоатомиздат, 1990, ISBN 5-283-02021-5.
2. Веников В.А.,Путятин Е.В. Введение в специальность. Электроэнергетика. – Москва: «Высшая школа», 1988.
3. Болотов А.В., Сидельковский В.С., Башкиров М.В. «Использование энергии воздушного потока и регулирование ветроэнергетических агрегатов», «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование вание в современных условиях». Труды 5 – й Международной научно – технической конференции, сентябрь 2006.- Алматы, Алматинский институт энергетики и связи, С.142 – 144.
4. Болотов А.В. «Технологии возобновляемой энергии. Потенциал и перспективы использования неисчерпаемых энергий и возобновляемых энергетических ресурсов», «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование вание в современных условиях». Труды 5 – й Международной научно – технической конференции, сентябрь 2006.- Алматы, Алматинский институт энергетики и связи, С. 153 – 156.
5. Болотов А.В, Новокшенов В.С., Бакенов К.А. Вентильный генератор для ВЭС., «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях». Труды 1 – й Международной научно – технической конференции. - Алматы, 1998. - С.152 – 153.
6. Болотов А.В., Уткин Л.А., Бакенов К.А. Болотов С.А. Электроснабжение удаленных объектов с использованием автономных источников энергии (международный опыт и перспективы Республики Казахстан). «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях». Труды 3 – й Международной научно – технической конференции. - Алматы, 2002. - С.28 – 31.
7. Рензо Д.Д. Ветроэнергетика. - М.: «Энергоатомиздат», 1982.
8. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. - М.: «Энергоатомиздат», 1983.
9. Сайт компании Nordex www.nordex.de/
10. Сайт компании Vestas www.vestas.de/