книги / Стратегия устойчивого развития

Приоритетным направлением развития ветроэнергетики в России на ближайшее время будет автономное использование малых и средних ВЭУ в отдаленных регионах Крайнего Севера, где сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы страны, низкая плотность населения, отсутствуют крупные электрические сети и имеется около 17 тыс. малых населенных пунктов, где целесообразно использовать ВЭС для целей энергоснабжения. В 1996–1998 годах в Мурманской и Архангельской областях установлены первые автономные ВЭУ мощностью 10 кВт [90]. Ключевым фактором, определяющим выбор между применением автономной энергетической системы и проведением линий электропередачи (ЛЭП) от объекта к сетям централизованного энергоснабжения является конкурентоспособность стоимостных характеристик ВЭУ в сравнении с подключением к сети. Так как скорость ветра – случайная функция, для повышения надежности работы ВЭУ используют принципы бинарной энергетики, когда в период избыточного получения энергии часть ее расходуют для электролизаводы, аполученныйводородвпериодыбезветрия– втепловыхмашинах для получения электричества.

С целью повышения надежности работы ветроэлектрических систем применяются гибридные системы, в которых используются ВЭУ совместно с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули, микроГЭС и т. п.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду.

Ветродизельные системы

ВетродизельнаясистемасостоитизВЭУидизель-электрическойсистемы(ДЭС) с оптимально подобранными мощностями. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра.

Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50–60 % и более.

Вветродизельных системах используется инверторное оборудование и АБ, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ветроагрегатом при рабочих скоростях ветра для питания нагрузки в безветренную погоду или при небольших скоростях ветра.

Впериоды ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определенного уровня, для обеспечения потребителей энергией запускается дизель-генератор. Такой режим значительно снижает количество запусков дизель-генератора и, следовательно, ведет к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы. Ветродизельные системы рассматриваемого типа в настоящее время используются в Архангельской

иМурманской областях России.

Гибридные ветродизельные системы мощностью от 2 до 500 кВт различных конструкций и назначения в настоящее время испытываются, разрабатываются или планируются к реализации в рамках федеральной программы «Энергоснабжение удаленных территорий Крайнего Севера РФ». Как правило, эти гибридные системы предназначены для надежного электроснабжения автономных потребителей с одновременной экономией жидкого топлива [99].

291

Ветросолнечные системы

Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечногоизлученияфотоэлектрическимибатареями(ФБ) (рис. 22.2). Несмотря на довольно высокую в настоящее время стоимость ФБ, их использование

Рис. 22.2. Ветросолнечная система

совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя.

Использование ветроустановок совместно с микроГЭС

ВЭУмогутиспользоватьсявкомбинациисмикроГЭС, имеющимирезервуардля воды. В таких системах при наличии ветра ветроагрегат обеспечивает потребляемую электрическую нагрузку, а излишки энергии используются для закачивания воды с нижнего бьефа на верхний. В периоды ветрового затишья энергия вырабатывается микроГЭС.

Подобные схемы особенно эффективны при малых ресурсах гидроэнергии.

Установки, подключенные к энергосетям

Соединенные с сетью ВЭУ устанавливаются на территориях с хорошими ветроэнергетическимиресурсамидляпроизводстваэлектроэнергиисцельюпродажи ее энергетическим компаниям.

Создание ветровых парков путем объединения нескольких десятков крупных ВЭУ, рассредоточенных на больших территориях и работающих на единую

292

электрическуюсеть, позволяеткомпенсироватьизменчивостьскоростиинаправления ветра и обеспечить надежное энергоснабжение, в отличие от гидроэлектростанций, зависящих от изменения расхода воды в разные периоды гидрологического года [47].

Ветропарк – это комплекс ВЭУ, часто установленных рядами, которые перпендикулярны господствующему направлению ветра.

Обычно участок земли, отведенный под ветропарк, используется и для других нужд.

Обычно в ветропарках используются крупные ветроагрегаты мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт и выше. При этом общая мощность ветропарка может достигать десятков и сотен мегаватт. В штате Калифорния (США), например, за счет использованияветропарковпроизводитсястолькоэлектроэнергии, чтоеехватаетдля удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как Сан-Франци- ско, в течение года. Этот тип систем становится все более популярным и в европейских странах, где, согласно Киотскому протоколу, поставлена цель снижения эмиссии парниковых газов [98].

Фирмы или частные лица устанавливают одну или несколько крупных ВЭУ и, соединяя их с электросетью, продают электроэнергию энергетическим компаниям, получая при этом прибыль. Несмотря на успехи, достигнутые в развитии ветроэнергетики, доля вырабатываемой ВЭУ электроэнергии в общем энергетическом балансе большинства развитых стран остается небольшой, что связано с относительно высокой стоимостью и материалоемкостью ВЭУ, недостаточной конкурентоспособностью, по сравнению с обычными источниками энергии в обжитых районах, а также с рядом отрицательных экологических факторов.

Хотя принято считать ВЭУ экологически безопасными, они при работе генерируют интенсивный инфразвук, который вызывает у людей угнетенное состояние, чувство беспокойства и дискомфорта. Установлено, что инфразвук также негативно влияет на животных и птиц [47]. Кроме того, ВЭУ производят два вида шума – от лопастей (свистящий звук) и механический шум от вращающихся элементов оборудования. Этот шум необходимо учитывать при строительстве ВЭУ, выдерживая определенные расстояния до жилых помещений.

Мелькание лопастей ветряных колес вызывает стробоскопический эффект, а большие их размеры приводят к травматизму птиц, особенно если ВЭУ расположены на путях их миграционных перелетов. Известны факты создания ВЭУ помех в работе навигационной аппаратуры воздушных судов по причине отражения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов из-за движения лопастей ветряных колес [47].

Ветроагрегаты могут быть потенциально опасны для самолетов. Такого рода проблемы характерны только для специфических территорий (вблизи аэродромов и пр.), где самолеты летают низко. Опасность заключается в том, что ВЭУ могут создавать помехи для радаров и радиосвязи.

293

ГЛАВА 23. ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА

Океан является гигантским аккумулятором и трансформатором солнечной энергии, которая преобразуется в нем в энергию волн, течений, тепла, биомассы и ветров. Большой энергетический потенциал заключен в приливах и отливах – результате действия приливообразующих сил луны и солнца. Мировой океан играет ведущую роль в испарительном цикле на планете, в результате которого идет вынос пресной воды из океана на сушу в виде водяного пара, а в океанической воде накапливаются соли. Возникающая при этом разница осмотических давлений пресных речных вод и соленых морских вод в зоне их смешения является мощным потенциальным источником энергии.

Анализ совокупного энергетического потенциала мирового океана позволяет характеризовать его как самый большой резервуар накопленной энергии на плане-

те (табл. 23.1).

Энергия Мирового океана существует в разных формах:

–энергия приливов и отливов;

–энергия градиента температуры между поверхностными и глубинными слоями воды (накопленная тепловая энергия);

Таблица 23.1

Энергетический потенциал основных источников энергии Мирового океана [113]

–волновая энергия;

–энергия океанских течений;

–энергия градиента солености между пресными водами в устьях рек и соленой морской водой;

–в виде запасов энергии, содержащихся в водорослях.

Каждаяизэтихформобладаетсвоимэнергетическимпотенциалом(см. табл.23.1), а их совокупность составляет энергию океана [113].

Потенциал каждого источника сопоставим с мировым уровнем потребления энергоносителей, однако степень освоения энергии океана крайне низка [113].

295

Тепловая энергия океана

Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25–30 °C. В то же время температура воды на глубине 1 км не превышает 5 °С [11].

Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные 3,4·1024 Дж/год или 95·1013 кВт·ч/год. Тепловая энергия океанов может использоваться на установках, работающих по принципу тепловых насосов. Основными элементамиэтихустройств являются тринасоса (подкачка холоднойводыизглубины около 700 м, забор теплой поверхностной воды, перекачка рабочей жидкости теплоносителя), теплообменники, турбина и генератор электрической энергии [47].

Эти установки – океанические тепловые электростанции (ОТЭС) – в настоящее время начинают практически использовать для получения электроэнергии в тех районах океана, где экономически нецелесообразно использовать традиционные источники электроэнергии. Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же разность температур различных слоев океанической воды – более стабильный источник энергии, чем ветер, солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в эксплуатацию

в1981 году наострове Науру. Один из недостатков ОТЭС – желательность ихгеографическойпривязанностиктропическимширотам. Дляпрактическогоиспользования температурного градиента наиболее пригодны районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27–28 °C, а на глубине 1 км – всего 4–5 °C [107].

Втермодинамическом плане ОТЭС могут работать по открытому, замкнутому и смешанному циклам [119].

Открытый цикл был предложен Джорджем Клодом и носит его имя (pис. 23.1).

Вэтом цикле рабочим телом является водяной пар. Теплая вода поверхностных слоев насосом 1 подается в предварительный деаэратор 2, где выделяется часть неконденсирующихся газов, растворенных в воде. Затем вода поступает в вакуумный испаритель 3. В этом устройстве с помощью вакуумного насоса создается разрежение такого уровня, при котором теплая морская вода мгновенно вскипает при окружающей температуре. Насыщенный пар низкой температуры очищается

вдеаэраторе 4 и поступает в турбину низкого давления 5, соединенную с электрогенератором 6. При этом вырабатывается электроэнергия. Затем пар конденсируется в конденсаторе 8, охлаждаемом водой, которую насос 9 качает из глубинных слоев. Из конденсатора потребитель получает в качестве побочного продукта пресную воду 7 [125].

Отличительной способностью замкнутого цикла Ренкина (рис. 23.2) в ОТЭС являетсяиспользованиевкачестверабочеготеланизкокипящихжидкостей: аммиака, хладона, бутана, пропана и др.

296

Подготовка рабочего тела происходит в теплообменнике – испарителе

2, куда насос 1 закачивает теплую воду поверхностных слоев. Аммиак в газообразном состоянии попадает в турбину 3, расширяетсятам, совершаетработуиподаетсявконденсатор5, охлаждаемыйхо-

лодной водой с глубины до 1000 м. Она подается насосом 7, а насос 6 осуществляет циркуляцию рабочего тела в замкнутом контуре. Оба цикла испытаны в различных странах: США, Франции, Японии, Голландии [125].

Система смешанного цикла комбинирует особенности систем как открытого, так и закрытого цикла для оптимизации получения электричества и пресной воды. Теплая морская вода поступает в вакуумную камеру, где преобразуется в пар (подобно открытому циклу), который, в свою очередь, используется для

выпаривания рабочей жидкости (фреон, пропан, аммиак) участка закрытого цикла системы. Испаренная рабочая жидкость вращает турбину, дающую электричество, а пар, сконденсированный вне теплообменника, обеспечивает поступление пресной воды [125].

Целесообразно компоновать ОТЭС средней мощности в 40 МВт хорошо отлаженными блоками по 10 МВт. Верхний предел мощности проектных ОТЭС может достигать 400 МВт.

Применяются различные схемные решения: берегового базирования (японский остров Науру) или в открытом океане на заякоренных или плавающих судах, на шельфовых мачтах. При сооружении

прибрежных ОТЭС требуется прокладка подводных кабельных линий с дополнительными затратами [125].

Особый интерес для России представляют арктические океанские ТЭС. Они способны обеспечить автономное энергосбережение отдаленных и труднодоступных районов Крайнего Севера. В этих районах в зимнее время темпера-

297

тура держится на уровне минус 26 °C, а сток пресноводных рек разогревает воду подо льдом до 3 °C. В прибрежных районах стабильная скорость ветра достигает 10 м/с. Расчеты показывают, что квадратный метр поверхности океана способен обеспечить мощность 4–9 кВт. Рабочим телом в замкнутом цикле АОТЭС является аммиак. Он испаряется в парогенераторе 1 (рис. 23.3) и поступает в турбину 2, связанную с электрогенератором 3.

Пар рабочего вещества генерируется при теплообмене с морской водой, которая подается насосом 8. Отработанный в турбине пар превращается в жидкость

Рис. 23.3. Тепловая схема арктической океанской ТЭС с промежуточным контуром охлаждения [125]: 1 – парогенератор; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – оросительная градирня; 6, 7, 8 – насосы

вконденсаторе 4. Она закачивается насосом 7 в парогенератор [10].

Сцелью интенсификации процесса охлаждения конденсатора предусмотрен про-

межуточный теплоноситель (раствор хлорида натрия NaCl2). Пройдя через конденсатор, промежуточный теплоноситель разбрызгивается в виде капель в оросительной градирне 5, которые контактируют с холодным воздухом и охлаждаются. Жидкий теплоносительциркулируетпозамкнутомуконтуруспомощьюнасоса6. Дополнительная интенсификациятеплообменавградирнеобеспечиваетсяприеепродувкеветром. При этом отпадает необходимость в применении вентиляторов [125].

Энергия волн

Мощность ветровых волн Мирового океана оценивается примерно в 10–90 млрд кВт, однако мощность, которая может быть реально использована, значительно ниже – всего 2,7 млрд кВт [105].

Пока же достигнутый технический уровень позволяет использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где она превышает 80 кВт/м. В омывающих Россию морях мощности еще ниже и составляют для Черного моря 6–8 кВт/м, Каспийского 7–11 кВт/м, Баренцева 22–29 кВт/м, Охотского 12–20 кВт/м [107].

Чтокасаетсяудельнойплотностиволновойэнергии, т. е. мощности, приходящейся на единицу поверхности, то она примерно в 10 раз больше плотности ветровой энергии и значительно превышает плотность солнечной энергии.

Важной особенностью морского волнения является его неравномерность во времени, максимальноезначениев5–11 развышесреднихзначений. Удельнаямощность

298

волн, образующихсянабольшихглубинах, призначительнойудаленностиотпобережья на порядок выше, чем в прибрежной зоне [114].

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 года действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт [114].

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2–3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стои-

мости [114].

В последней четверти XX века были выдвинуты на рассмотрение эффективные проекты, после того как британское министерство энергетики финансировало ряд исследовательских работ в этой области. К 1979 году среди всех этих проектов на первое место вышли четыре: «нырок» Солтера, плот Коккерела, колеблющаяся водная колонна (резервуар) и выпрямитель Рассела [105].

«Нырок» Солтера

Рабочей конструкцией «нырка» является набор большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20–30 поплавков [105].

Плот Коккерела

Волновой плот Коккерела состоит из трех соединенных шарнирами понтонов, которые, находясь на плаву, повторяют движение волн. Их подъемы и спады приводят в движение гидравлические тараны, соединяющие понтоны. Эти сжатия и растяжения передаются рабочей жидкости, которая приводит в действие гидравлический генератор, вырабатывающий в результате этого электрический ток. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт [105].

299

Колеблющаяся водная колонна

Это устройство использует действие волн для сжатия воздуха и производства таким образом электричества. Водная камера-колонна представляет собой кольцевидный буй, предназначенный для создания воздушного давления. Это полое кольцо тороидальной формы с прорезями или отверстиями наверху. Плавая по воде, он поднимается и опускается вместе с волнами, вызывая тем самым сжатие воздуха, поступающего вовнутрь через прорези, что приводит в действие турбину [105].

Выпрямитель Рассела

Эта установка регулирует движение воды так, что она поступает на турбину только с одной стороны [114].

Несколько прямоугольных резервуаров закреплены на якорях в открытом море, приэтомнекоторыеизнихнаходятсянадповерхностьюводы, анекоторые – под нею.

Между верхними и нижними резервуарами расположен турбогенератор. Волны нагоняют воду в верхние резервуары. Оттуда она (через невозвратные клапаны) стекает вниз, приводит в движение турбогенератор, производя тем самым электричество, и выливается наружу [105].

Энергия течений

Кинетическая энергия морских течений теоретически может использоваться при помощи погруженных в слой движущейся воды турбин, превращающих ее в механическую или электрическую энергию подобно ветровым агрегатам, находящимся в атмосфере и использующим кинетическую энергию ветра [47].

Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросиво, несущих соответственно 83 и 55 млн·м3/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн·м3/с, скорость до 1,8 м/с) [106].

ВСША с 1973 года разрабатывается «Программа Кориолиса», которая предусматривает установку во Флоридском проливе 242 подводных установок [105].

Рассматривается также возможность использования в качестве первичного двигателя таких установок прямоточной турбины диаметром 168 м с частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопастями турбины будет таково, что обеспечитбезопасныйпроходсамыхкрупныхрыб. Всяустановкабудетпогружена на 30 м под уровень океана с тем, чтобы не препятствовать судоходству [105].

ВЯпонии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросиво, в котором расход воды оценивается в 55·106 м3/с, а скорость у восточного побережья страны 1,5 м/с. Используемые для этого трехлопастные гидротурбины будут иметь диаметр рабочего колеса 53 м [106].

300