книги / Стратегия устойчивого развития

современные гелиоэлектростанции. Установленные на значительной, до нескольких тысячквадратныхметров, территориизеркала-гелиостаты, поворачивающиесявслед за Солнцем, направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество. В США сейчас действуют несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от Солнца, а ночью, чтобы вода не остывала и электричество не кончалось, – от газа. Температура пара в установках достигает 370 °C, а давление – 100 атм.

Если не считать высокой стоимости солнечных батарей, главная помеха для развития этой энергетики – земная атмосфера.

Это определяет актуальность размещения солнечных электростанций в околоземном пространстве, где исключается неблагоприятное экранирующее воздействие атмосферы Земли.

Добыча солнечной энергии в Космосе может вестись на солнечных космических электростанциях (СКЭС), размещенных на стационарных орбитах. СКЭС могут генерировать электроэнергию круглосуточно, их не экранирует атмосфера Земли. Передачу энергии, трансформированной в виде лазерного излучения или микроволновогодиапазона, прозрачногодляатмосферыЗемли, можноосуществитьнаспециальные энергоприемники на Земле.

ПрипередачеэлектроэнергииотСКЭСнаЗемлюспомощьютакогосвоеобразно- гокосмическогорадаравотличиеотсолнечногосветаэтотСВЧ-лучпри«пробое» атмосферыпотеряетнеболее2 % энергии. Реализациятакихтехнологийэкономически доступна и технически осуществима. Ограничения имеются в виде необходимости больших площадей для размещения на Земле энергоприемников, выделения свободных от навигации воздушных судов коридоров. Имеется опасность для птиц, состоящая в перекрытии путей их миграции.

Если создание СКЭС пока существует лишь в отдаленной перспективе, то уже в настоящее время достаточно широко используется технология и технические средства и устройства для преобразования солнечной энергии в тепловую. Схема солнечной электростанции представлена на рис. 21.2.

Рис. 21.2. Схема солнечной электростанции

281

Для этих целей применяют плоские коллекторы (черные плиты, теплоизолированные снизу), нагревающие теплоносители (вода, солевые растворы) или гелиоконденсаторные установки (фокусирующие отражатели, вогнутые зеркала), концентрирующие падающий поток в точке-фокусе, где температура может достигать 3000 °C и более.

Плоскиеивогнутыегелиоконцентраторыиз-занизкойконцентрациипотокасол- нечной энергии характеризуются относительно небольшой мощностью на квадратный метр поверхности коллектора, поэтому для получения больших количеств энергии необходимо использовать большие земельные площади под их размещение. Это определяет большую материалоемкость таких установок, что снижает их конкурентоспособность в случаях, когда необходима энергия в больших количествах и вне зависимости от времени суток, сезонов года. Вместе с тем, в случаях необходимости получения энергии в малых количествах такие гелиоустановки, особенно плоского типа, широко используют для получения горячей воды, отопления во многих южных странах, а также в США и европейских странах (Дания, Германия, Австрия) с умеренным климатом.

Схема солнечного водонагревателя представлена на рис. 21.3.

Рис. 21.3. Солнечный водонагреватель

282

Преобразование солнечной энергии в излучение оптического диапазона возможно путем ее концентрации и передачи по светопроводным каналам к потребителям.

Общим недостатком современных мощных гелиоэнергетических установок являетсяихвысокаяматериалоемкость, необходимостьвыделениябольшихземельных площадей для получения значительных объемов электроэнергии.

Этих недостатков в известной степени лишены системы децентрализованного использования солнечной энергии в жилищно-коммунальном секторе экономики, в частности, в виде строительства «солнечных домов» или преобразования систем отопления и горячего водоснабжения обычных жилых домов.

Строительство «солнечных домов» в США и европейских странах становится все более популярным. Появляется все больше желающих вложить около 10 000 долларов за оборудование в домах солнечных систем отопления и горячего водоснабжения. Срок окупаемости таких вложений составляет 7–10 лет.

Правительства развитых стран, стремясь стимулировать эти процессы использования солнечной энергии, разрабатывают и финансируют программы, облегчающие финансовое бремя владельцев «солнечных домов». Названия этих программ-проек- товпримерноодинаковы. Первыйбылзапущенещев1990 годувГермании. Назывался он «1000 солнечных крыш» (впоследствии был переименован в «2000 солнечных крыш»). Следом за Германией подобный проект, только под названием «100 000 солнечных крыш», был принят для всех стран – членов ЕС. В Японии солнечная энергетика начала продвижение с программы «70 000 солнечных крыш». И, наконец, последний проект появился в США. Со свойственным американцам размахом он был назван «1 000 000 солнечных крыш».

Присоединилась к этому движению и Монголия с проектом «100 тысяч солнечных юрт». Владельцы домов или офисов, решившиеся на дооборудование жилых и офисных помещений солнечными коллекторами и батареями, пользуются определенными привилегиями. Государство компенсирует им часть затраченных средств, они получают особые налоговые льготы, а также для них открывается доступ к специальным льготным кредитам и беспроцентным ссудам. Их бесплатно обучают пользованию такой домашней энергосистемой, а для компаний, занимающихсяпроизводством, продажейиустановкой«солнечной» техники, проводят бесплатные маркетинговые исследования, которые являются дорогостоящими. В США на эту программу планируется до конца нынешнего десятилетия потратить 6 млрд долларов (только на энергосбережение в федеральных зданиях здесь уходит около 3 млрд бюджетных долларов в год). В результате Штаты свою программу уже перевыполнили: солнечная технология уже используется в 1,5 млн домов. Все вместе они экономят около 1 400 МВт. А 1 400 сэкономленных мегаватт – это примерно 5 млн т не сожженной за год нефти.

ВГерманиигосударствонетолькокомпенсируетгражданамдо70 % затратна«соляризацию» домов, но еще и покупает у них электричество по ценам, превышающим рыночные. Днем, когда дом потребляет энергии мало, а производит много, ее из-

283

лишки уходят в городскую сеть, а хозяин получает по 80 центов за каждый сданный кВт·ч. Ночью же он сам покупает у этой сети электричество, но уже по 20 центов. Благодаря этой программе в Германии ежегодно оборудуют солнечными элементами по полумиллиона квадратных метров крыш в год.

Впоследние десятилетия в России также возрастают масштабы использования солнечной энергии в промышленности, транспорте и жилищно-коммунальном секторе, особенно в южных районах.

Всреднесрочной перспективе прогнозируется значительный рост количества бытовых гелиоустановок, используемых населением для решения задач теплоснабжения и горячего водоснабжения, а также в промышленных масштабах

внеэлектрифицированных районах.

Вэтом плане большой интерес представляет использование солнечных прудов как источников горячего водоснабжения и отопления объектов гражданского и промышленного назначения.

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих установках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 21.4).

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли – на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях

Рис. 21.4. Солнечный пруд

284

ГЛАВА 22. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА. БИНАРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Ветроэнергетика стала за последние десятилетия признанным лидером по масштабам применения возобновляемых источников энергии. В настоящее время достаточно полно, благодаря успехам ветротехники и ветропользования, разработаны теоретические основы и практические приемы создания технических средствпоиспользованиюэнергииветрадляполучениямеханической, электрической и тепловой энергии, а также оптимального использования энергии ветра путем рациональной эксплуатации ветроэнергетических установок (ВЭУ) и улучшения их технико-экономических и экологических показателей.

Вначале XIX века энергия ветра в России использовалась главным образом для помола зерна. Число ветряных мельниц достигало 200 тыс. шт. Этобыли деревянные ветряные мельницы с четырьмя лопастями средней мощностью 3,5 кВт. Самые боль- шиемельницыимелидиаметрветроколеса20–24 мимощность10–15 кВт. Ветряные мельницы перемалывали в год около 34 млн т зерна.

Теоретические и экспериментальные работы по ветродвигателям начали проводиться в 1920-х годах, в результате чего для нужд сельского хозяйства были разработанымноголопастныеветродвигателицельнометаллическойконструкциидиаметром 5–8 м (ТВ-5 и ТВ-8). Массовое производство этих установок относится к 1936 году, когда было построено 1300 установок, укомплектованных поршневыми насосами. Производительность ТВ-5 составляла 1 м3/ч при скорости ветра V = 3 м/с и 5 м3/ч при V = 5 м/с. ТВ-8 обеспечивала в 3–3,5 раза большую производительность.

К довоенному периоду относится также разработка ВЭУ с ветроколесами диаметром 8 и 12 м. Последний агрегат был укомплектован генератором 15 кВт. Он использовался на 16 станциях Северного морского пути и показал высокую надежность в работе в условиях Крайнего Севера.

ПерваявмиреВЭСмощностью100 кВтсасинхроннымгенераторомбыларазработанавЦАГИипостроенавКрымунедалекоотг. Севастопольв1931 году. Станция работала на местную энергосистему, она имела диаметр ветроколеса 30 м. Станция успешно работала, но была разрушена в 1942 году во время войны.

В1950-х годах в СССР ветродвигатели выпускали 44 завода. Максимальный уровень производства был достигнут в 1955 году – 9142 шт. Наибольшим спросом пользовался ветродвигатель ТВ-8, который стал применяться не только для подъема воды, но и для переработки кормов. На водоснабжение ферм в России в 7 областях в 1958 году работали 2352 установки. Ветродвигатели окупали себя за 1–2 года работы.

С развитием электрификации сельского хозяйства ВЭУ стали терять свое прежнее значение для села. Задачей ветроэнергетики на новом этапе стало обеспечение энергиейобъектовсельскогохозяйства, неподключенныхкэлектросетям. Этоотгонные пастбища Поволжья, Сибири, Казахстана, Туркмении.

Впериод с1968 по1975 годбылиразработаны новые ветроэлектрические агрегаты мощностью от 1 до 30 кВт. Наиболее удачной оказалась конструкция двухлопастного ветроагрегата АВЭУ-6 с диаметром ветроколеса 6 м и мощностью 4 кВт.

286

Серийное производство АВЭУ-6 было организовано в НПО «Ветроэн». Объем годового производства в 1980-х годах составлял 400–500 шт. АВЭУ-6 применялся в составе установок различного назначения: для подъема воды и обогрева помещений, для заряда аккумуляторов на маяках, для опреснения морской и солоноватой воды, для катодной защиты магистральных водопроводов. В частности, 10 ветроагрегатов обеспечивали теплоснабжение бытовых помещений в Антарктиде на станции Новолазаревская. НПО «Ветроэн» освоило также серийное производство зарядных ветроагрегатов мощностью 100–250 Вт и водоподъемных ветроагрегатов механического типа производительностью до 1 м3/ч.

Внастоящее время серийно производятся только малые ВЭУ мощностью от 0,1 до 10 кВт, но разработаны и прошли опытную проверку ветроагрегаты большихмощностей. НачатосозданиеВЭСмощностью24 МВтподЭлистой(Калмыкия). Работает ВЭС «Заполярная» (г. Воркута) мощностью 2,0 МВт, оборудованная сетевыми ветроагрегатами отечественной разработки типа АВЭ-250.

Вусловиях России с ее огромными по площади и слабозаселенными северными территориями наибольшие перспективы имеют автономные ВЭУ, а также гибридные системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Ветер как источник энергии

Ветер – это направленное перемещение воздушных масс. Воздух, находящийся над нагретой поверхностью, нагревается и поднимается вверх, создавая области пониженного давления. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления, тем самым создавая ветер.

Ветер меняется с течением времени. В большинстве регионов наблюдаются значительныесезонныеизмененияветровыхпотоков. Причемвзимниемесяцыскорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер. Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.

Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12 %.

На скорость ветра оказывают значительное влияние географические условия

ихарактер земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие как холмы, деревья и здания. По этой причине ВЭУ располагают, по возможности, на возвышенных и удаленных от высоких деревьев, жилых домов

идругих препятствий местах, так как они снижают скорость ветра и приводят к завихрениям потока, затрудняющим преобразование энергии ветра.

Среднегодовая скорость ветра (Vc) характеризует ветровой потенциал территории. Это скорость ветра, которая определяется как среднеарифметическое значение всех наблюдаемых скоростей ветра в течение года.

287

Энергия, заключенная в ветре, находится в кубической зависимости от величины скорости ветра. Удвоение скорости ветра дает увеличение энергии в 8 раз. Таким образом, средняя скорость ветра 5 м/с может дать примерно в 2 раза больше энергии, чем ветер со средней скоростью 4 м/с.

Характеристики ветра измеряются на метеостанциях. На основе данных многолетних наблюдений скоростей ветра на различных территориях составляются специализированные карты ветров [2].

Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии напланете. Несмотрянато, чтоэнергия, содержащаяся впотокевоздуха, можетбыть значительной, ее использование связано с большим числом ограничений, основное из них – это необходимость постоянства ветровых течений. Скорость ветра должна быть не ниже минимальной для обеспечения работы ВЭУ и не выше максимальной, при которой может произойти ее разрушение.

Обычно коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока составляет 15–30 % и колеблется в зависимости от типа и параметров ВЭУ, местных климато-географических условий, диапазона скоростей и повторяемости направленной скорости ветра. Теоретически при всех благоприятных условиях КПИ ВЭУ может достичь 59,3 % при КПД 75–95 %, что связано с неизбежными изменениями ветрового потока и потерями при преобразовании механической энергии в электрическую.

СовременнаяВЭУпредставляетсобойкомплекстехническихустройствдляпреобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую или электрическую. Обычно ВЭУ состоит из ветроагрегата (ветродвигатель в комплекте с одной илинесколькими рабочими машинами), резервирующего илиаккумулирующего устройства, систем автоматического управления и регулирования режимов работы.

В качестве аккумулирующего устройства применяют батареи электрохимических аккумуляторов. Для сглаживания небольших пиков ветровых потоков применяют инерционные аккумуляторы. При безветрии применяют дублирующие двигатели, обычно двигатели внутреннего сгорания.

По назначению ВЭУ делятся на насосные (водоподъемные), электрические зарядные, мельничные, опреснительные. Ветроэлектрическая станция (ВЭС) предназначена для выработки электроэнергии.

По мощности ВЭУ можно классифицировать как ВЭУ малой (1–20 кВт), средней (20–75 кВт) и высокой мощности (75–3000 кВт) [6].

ВЭУ могут быть соединены с сетью и передавать вырабатываемую энергию в местную электросеть или быть автономными, когда потребитель находится в непосредственной близости от ветроагрегата. В связи с этим ВЭУ подразделяют на несколько типов: автономные системы энергоснабжения, гибридные энергетические системы и установки, подключенные к энергосетям.

Обычная современная ВЭУ представляет собой башню высотой 20–30 м с установленным на ней ветряным колесом или одной или несколькими лопастями, динамомашиной – генератором электрического тока и аккумуляторной батареей, кото-

288

рая подключается на подзарядку при напряжении на выходных клеммах генератора выше, чем на клеммах батареи.

По конструкции ВЭУ делятся на вертикально-осевые и горизонтально-осе-

вые (рис. 22.1).

Основными компонентами обоих типов являются:

–ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потокавмеханическуюэнергиювращенияоситурбины. Диаметрветроколесаколеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин;

–мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

–башня, на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются

ирешетчатые башни;

Рис. 22.1. Основные конструкции ветроагрегатов

289

– основание (фундамент), предназначенное для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину. Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Размер ВЭУ зависит от предполагаемого направления их использования. Основной характеристикой, определяющей размер этих систем, является мощность ветроагрегата. Например, для работы на сеть возможно применение ВЭУ мощностью 50 кВт и выше. ВЭУ меньшей мощности обычно используются как автономные. Например, ВЭУ для электроснабжения жилого дома может быть мощностью от нескольких сотен Вт до 10 кВт в зависимости от нагрузки и энергопотребления. В состав подобных ВЭУ обычно входят аккумуляторные батареи (АБ), а во многих случаях и дизель-генератор в качестве резервного источника энергии во время длительных периодов безветрия. Небольшие предприятия и удаленные поселки могут использовать ВЭУ существенно большей мощности. Маломощные турбины (менее 1 кВт) могут быть использованы для заряда аккумуляторов и электроснабжения малой нагрузки (связь, освещение, электроинструмент, телевизор и т. п.).

ВЭУ могут использоваться как в виде автономных источников энергоснабжения, так и в составе гибридных и сетевых систем централизованного энергоснабжения.

Автономная ветроэлектрическая система работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий.

Как правило, маломощные автономные ВЭУ генерируют постоянный ток для заряда АБ. Система содержит инвертор для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 230 В. В настоящее время в России получили распространение такие ветроэнергетические установки мощностью до 0,5 кВт. Разработаны и используются опытные образцы ВЭУ мощностью 2,5; 5; 8 и 10 кВт. Более мощные системы, используемые, например, для электроснабжения нескольких объектов, обычно генерируют переменный ток [101].

В России имеется многолетний положительный опыт применения водоподъемных ветроустановок на пастбищах в степных или пустынных районах без использования АБ и резервных источников питания (бензиновых или дизельных электростанций).

290