Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии

Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии.

Статьи по теме
Искать по теме

Возобновляемые источники энергии – источники энергии, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения.

Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов – таких как солнечный свет, ветер, биомасса (биоресурсы), приливы и геотермальная теплота – которые являются возобновляемыми (пополняются естественным путем). В 2006 году около 18 % мирового потребления энергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии, причем 13 % из традиционной биомассы, таких, как сжигание древесины. Гидроэлектроэнергия является очередным крупнейшим источником возобновляемой энергии, обеспечивая 3 % мирового потребления энергии и 15 % мировой генерации электроэнергии.

Остановимся подробнее на каждом виде источников альтернативной энергии. Но мы рассмотрим самые распространенные источники и технологии, о более редких и инновационных речь пойдет далее.

Гелиоэнергетика (использование Солнечной энергии).

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечную энергию использовали для обогрева домов ещё в Древней Греции. Солнечный коллектор для подогрева воды был впервые сконструирован в XIX в. Становление же современной "солнечной" энергетики (гелиоэнергетики) произошло уже в середине XX в. Наиболее благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на территориях южнее 50-й параллели (в России это южнее линии Курск – Воронеж – Саратов – Оренбург). Но это не означает, что на других территориях использование солнечной энергии совсем не эффективно, даже в условиях Подмосковья солнечные батареи работают весьма эффективно. Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Что же касается самого её преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи трёх технико-технологических способов.

Первый способ, который получил наиболее широкое распространение, – это теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на крышах домов под определённым углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода, воздух, антифриз) на 40-50°С по сравнению с температурой окружающей среды. Их применяют также для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и т.д. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле около 1 млн солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой свыше 70% жителей этой страны. Солнечные коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в действие насосных установок).

Второй способ заключается в преобразовании солнечной энергии уже не в тепловую, а в электрическую, причём "напрямую" – при помощи фотоэлектрических установок (солнечных батарей) на кремниевой основе – наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г. Хотя получаемая при их помощи электроэнергия продолжает оставаться ещё весьма дорогой (около 20 центов за 1 кВт*ч), некоторые страны развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов. Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка фотоэлектрических элементов.

Наконец, третий способ, характеризуется промышленными масштабами. Он также обеспечивает превращение солнечной энергии в электрическую, и реализуется при помощи сооружения собственно солнечных электростанций, которые подразделяются на два вида – параболические и башенные.

Современные гелиоэнергетические технологии включают в себя параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции – это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

Солнечные параболические концентраторы.

Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии

Рисунок 1

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343C и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II – VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа.

Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии

Рисунок 2

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий. Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них – проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии

Рисунок 3

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВт. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 – 13 часов.

"Solar Two" – башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии – это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Сопоставление технических характеристик.

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки – на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер "тарелок" позволяет использовать их в небольших установках. Башни и "тарелки" позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время – уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

Ветроэнергетика.

Сущность технологий использования возобновляемых источников энергии

Рисунок 4

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные, устанавливаются государством, или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети. Получается самая настоящая электростанция, которая имеет название – ветропарк. Ветропарк – это сосредоточение большого количества ветрогенераторов на одной территории и объединенных в единую сеть. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) – полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС – высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Сегодня мировая ветроэнергетика – бурно развивающаяся индустрия с миллиардными оборотами. Благодаря ВЭС Германия, например, покрывает 7% своего энергопотребления; Дания с помощью ветроэнергетики планирует довести этот показатель до 50% к 2030 г.! В настоящее время в России также отмечается рост интереса к ветроэнергетике – появляется много желающих пользоваться бесплатным и повсеместно доступным энергоресурсом – ветром.

Однако, развитие сетевой ветроэнергетики (ветряки, оживляющие европейские ландшафты, относятся именно к этой категории) в России дело проблемное: для эффективной работы сетевых ветрогенераторов необходимо, во-первых, подключение их к сети сопоставимой мощности и, во-вторых, высокое качество электроэнергии, обеспечиваемое этой сетью. Кроме того, отсутствует законодательная и нормативная база, позволяющая независимым производителям продавать электроэнергию энергосистемам и даже включать свои генерирующие мощности в эту энергосистему. Плюс достаточно низкие (скорее всего, ПОКА низкие) тарифы на электроэнергию…

А вот для частного использования (коттеджи, загородные дома и т.д.) ветрогенераторы подходят практически идеально. Ветроэнергетика в нашей стране сегодня только зарождается (точнее говоря, возрождается), поэтому пока нет, так называемых, "хорошо зарекомендовавших себя" (имеются в виду, главным образом, длительные сроки эксплуатации) моделей ветрогенераторов отечественного производства. Но есть "специально изготавливаемые" и хорошие "западные".

Ветрогенераторы отечественного производства мощностью от 1 кВт до 10 кВт могут обеспечить электропотребности "среднего" коттеджа. Неоспоримым преимуществом ветрогенераторов отечественного производства является то, что в отличии от большинства западных образцов, наши установки способны работать в экстремальных условиях: при очень низкой температуре и большой скорости ветра!

Интеграция ветрогенератора с дизель-генератором позволяет, во-первых, экономить до 50% топлива последнего и, во-вторых, достичь 100% надежного электроснабжения Вашего дома!

Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год, по всему миру с установленной мощностью 196600 мегаватт (МВт) в 2010 году,[2] и широко используется в странах Европы и США.[3] Ежегодное производство в фотоэлектрической промышленности достигло 6900 МВт в 2008 году[4]. Солнечные электростанции популярны в Германии и Испании.[5] Солнечные тепловые станции действуют в США и Испании, а крупнейшей из них является станция в пустыне Мохаве мощностью 354 МВт.[6] Крупнейшей в мире геотермальной установкой, является установка на гейзерах в Калифорнии, с номинальной мощностью 750 МВт. Бразилия проводит одну из крупнейших программ использования возобновляемых источников энергии в мире, связанную с производством топливного этанола из сахарного тростника. Этиловый спирт в настоящее время покрывает 18 процентов потребности страны в автомобильном топливе [7]. Топливный этанол также широко распространен в США.