Наши проекты

Технологии 21 века

 

Энергия солнца

Солнце является практически неиссякаемым источником энергии. Преимущество установок, базирующихся на солнечной энергии, в том, что они практически не добавляют тепла в приземные слои атмосферы Земли, не создают тепличного эффекта и не загрязняют воздух во время своей работы. Главной особенностью солнечной энергии является ее прерывистость. Пригодность участка для использования солнечной энергии определяется не только средним поступающим потоком солнечного излучения, но и величиной соотношения среднего потока к максимальному. Прерывистость и рассеяние солнечной энергии дают лишь относительно низкие температуры, иными словами, необходимы системы с различными типами концентраторов и устройствами слежения, позволяющими концентрировать солнечную энергию.

Существует два основных метода использования энергии Солнца: в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем — коллекторов или посредством фотохимических реакций — солнечных батарей. Коллекторы просты в обращении. Вы заливаете теплоноситель в систему, вот и все затраты. Летом — горячая вода. Солнечная батарея для получения электроэнергии требует уже некоторых навыков. Купили батарею, а к ней нужен еще и аккумулятор, через который, собственно, и будете подключать все розетки в хозяйстве. Необходимо научиться считать электроэнергию.

Рассмотрим оба этих метода.

1. Тепловая энергия Солнца

В промышленно развитых странах по крайней мере 1/3 получаемой энергии потребляется в быту и на промышленных предприятиях, причем 80-90% этого количества расходуется на подогрев воды и отопление квартир, магазинов и офисов. Для этих целей вполне достаточна низкотемпературная энергия (т.е. грамотно встроенных в систему отопления коллекторов вполне хватит). Таким образом, значительную часть общемировых энергетических потребностей — около 1/4 — можно в принципе удовлетворить с помощью простейших гелиоустановок.

Солнечный дом с пассивным подогревом

В так называемых пассивных системах солнечная энергия улавливается элементами самих зданий при незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Такие системы применялись на протяжении всей истории человечества. Для традиционных построек во многих странах характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и застекленные поверхности, обращенные на юг. В 1967 году французский профессор Мишель Тромбе спроектировал подобный солнечный дом. Между массивной южной стеной, окрашенной в черный цвет, и внешней стеклянной поверхностью оставлено пространство для воздуха, который нагревается солнечными лучами и циркулирует в доме путем естественной конвекции. Часть тепла накапливается в толстой стене дома и эффективно сохраняется для обогрева в ночное время. Для избежания теплопотери ночью можно использовать жалюзи.

Существуют различные варианты «стены Тромба». Например, каменная кладка может быть заменена «водяной стеной», состоящей из наполненных водой резервуаров, выполненных чаще всего из стекловолокна. В более сложных солнечных домах используются застекленные выступы или «оборудование дневного освещения» для улавливания тепла и подачи его в помещение. Короче говоря, развитие фотоэлектрической технологии, застекления, накопления тепла и оборудования «дневного освещения» позволит строить здания, которые будут получать от Солнца большую часть необходимого тепла.

Климатические условия наших южных республик позволяют применять гелиотеплоснабжение на территориях, расположенных южнее 45-50° с. ш. В этих районах успешно эксплуатируется немалое число гелиоустановок. Однако большая часть территории страны расположена севернее, где солнечная радиация не столь интенсивна. Достаточно ли ее для отопления жилых домов? Вот цифры, иллюстрирующие возможность использования солнечной энергии в районах Нечерноземья: среднее (за год) значение суммарной солнечной радиации, поступающей в сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет 50-60 кВт•ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2.

Значительный опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах накоплен скандинавскими странами. Разработаны проектные предложения для Аляски и севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов сопоставимы с условиями средней полосы России. Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны: нет опасности, что система замерзнет, нет нужды в трубах и кранах, отсюда простота и дешевизна, возможность изготовления гелиосистемы своими силами. Проигрыш — невысокая теплоемкость воздуха. В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и в дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши) здесь не требуется изоляция от воды. Отпадает проблема нагрузки. С вертикальных стекол легко будет смыть пыль и т.д. Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает еще рассеянную и отраженную радиацию (в пасмурную погоду) — словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе. По проекту солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад). Его площадь составляет 21 м2.

Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена матовой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см (определяется шириной стекла, чтобы его не нужно было резать), высота 10-12 см. Вертикальные перегородки между коробами изготовляются из деревянного бруска, набитого на стену дома. Остекление выполняется обычным образом, в верхней горячей части коллектора для уменьшения теплопотери ставятся двойные стекла. Воздуховоды изготавливаются из досок, фанеры или оргалита (металл и пластмасса нежелательны). Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост при строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью маломощного оконного вентилятора.

Система солнечного теплоснабжения дома работает в 3 режимах:

I.   отопление от коллектора,

II.  аккумулирование тепловой энергии,

III. отопление от аккумулятора.

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

Теперь о самом доме. Он одноэтажный, с мансардой, имеет плоскую односкатную крышу. Дом сблокирован с теплицей и навесом для автомашины. Навес дополнительно защищает северную стену дома от ветра и переохлаждения. Крыша дома выбрана односкатной не случайно. В доме с вертикальным солнечным коллектором нужно, чтобы южный фасад имел наибольшую площадь. Тогда на фасаде можно разместить коллектор и благоприятно ориентировать окна в комнатах — для средней полосы на юг и на восток. Плоская крыша со скатом на север отвечает этим требованиям. Она также предохраняет стены от продувания ветрами северного направления, создает благоприятную для работы коллектора ветровую тень на южном фасаде. Односкатная крыша максимально проста конструктивно, дешева, дает возможность иметь удобное мансардное помещение с хорошим использованием его объема. Небольшие изменения в планировке дома и размещении гелиосистемы позволяют приспособить жилище к особенностям местности.

Плоские (плоскоплитные) коллекторы

Коллектор действует по принципу «парникового эффекта», уже давно используемого для выращивания растений в холодном климате: обычное стекло проницаемо для солнечного излучения видимой длины волн и почти непроницаемо для инфракрасного излучения. Солнечная энергия нагревает пространство под стеклом, что приводит к смещению спектра излучения в инфракрасную область. Большая часть образующегося тепла не может рассеяться сквозь стекло, и температура под стеклом возрастает.

Коллектор состоит из поглощающей энергию плиты, остекления, прохода для теплопроводной среды и теплоизоляции. В качестве теплопроводной среды часто используется вода, и трубы, по которым она циркулирует, являются составной частью плиты. Изоляция необходима для снижения потерь тепла с тыловой стороны плиты. Основные потери тепла происходят в результате конвекции от стеклянного покрытия. Их можно снизить, используя большее число стеклянных покрытий. Однако при этом часть поступающего излучения поглощается и отражается: при увеличении числа стеклянных покрытий доля излучения, достигающего плиты, уменьшается. Поэтому обычно применяется лишь два стеклянных покрытия.

Характерной особенностью, определяющей «активность» такого оборудования, является наличие насоса для перекачки жидкости по трубам коллектора или, если теплопроводной средой является воздух, — вентилятора.

В простом плоском коллекторе вода может нагреваться до температуры 65°С, достаточной и для обогрева помещения. Для получения более высоких.температур, например в диапазоне от 80 до 95°С, поглощающая плита должна иметь специальное покрытие и (или) остекление, причем стекло должно обладать антиотражающими свойствами. Потери тепла в коллекторе могут быть понижены, если откачать воздух из пространства между стеклом и поглотителем.

Нагрев воды и обогрев помещения

Для нагрева воды до 55°С на выходе (что вполне достаточно) можно использовать довольно простой плоский коллектор. Ввиду того, что потребление горячей воды остается сравнительно постоянным в течение всего года, ее подогрев с помощью Солнца не только технически возможен, но и экономически выгоден.

В типичной водонагревательной системе необходимо создать запас тепла, достаточный для обогрева в течение 2 пасмурных дней. Это легко достигается с помощью теплоизолированной емкости для воды. В более высоких широтах необходим вспомогательный источник тепла для теплоснабжения во время длительных зимних холодов. Предполагается, что солнечная энергия может удовлетворить 75% годовых энергетических потребностей. При КПД в 35% рабочая площадь плоского коллектора (в зависимости от широты) должна доставлять от 1,5 до 2 м2 для нагрева 100 л воды в день.

Промышленное использование

Системы солнечного отопления могут быть использованы в целом ряде низкотемпературных процессов. Подсчитано, что, например, в пищевой промышленности 70% энергетических потребностей можно удовлетворить низкотемпературным теплом (менее 100°С). Этим источником можно воспользоваться для мойки банок, бутылок и даже для стирки белья в прачечных.

Солнечная сушка

Солнечная сушка на открытом воздухе, когда продукты раскладываются в один слой на солнце, имеет давнюю традицию. Однако без контроля за скоростью процесса и качеством сушки этот метод неэффективен. Кроме того, продукты подвергаются воздействию дождя, пыли и повреждению насекомыми. Конструкции современных сушилок позволяют исключить эти недостатки и способствуют ускорению процесса сушки за счет принудительной вентиляции. Солнечная энергия может успешно применяться в сушилках типа шкафов, тоннелей и полок.

Солнечный опреснитель

Солнечная энергия может использоваться для дистилляции — преобразования солоноватой или морской воды в качественную питьевую воду. Фактически вся пресная вода на Земле является продуктом природной солнечной дистилляции в широком масштабе — испарения влаги с поверхности океанов, ее конденсации в атмосфере и выпадения в виде осадков (дождя или снега). Человек уже давно имитировал этот природный цикл. Еще в 1872 году в Салинасе (Чили) был сооружен огромный перегонный солнечный куб для обеспечения питьевой водой людей и животных, занятых на добыче нитратов. Принцип работы солнечного перегонного куба очень прост. Резервуар, наполненный водой, покрывается стеклом или пластиком. Вода, нагреваемая солнечным излучением, испаряется. Стекло не поглощает солнечное излучение, и его температура ниже температуры воды и пара, который конденсируется на стекле. Стекло наклонено таким образом, что конденсирующаяся на нем чистая вода стекает в водосборные каналы.

Гелиоконцентраторы

За исключением нагрева воды и отопления помещений, большая часть приложений солнечной энергии в городских и сельских районах требует либо высоких температур, либо совершения механической работы. В существующих разнообразных гелиоконцентраторах применяются либо зеркала, либо линзы. Зеркала бывают параболическими, параболоидными или сферическими, а концентраторы могут быть дополнительно снабжены системой слежения. Поскольку концентрировать можно лишь прямые излучения, конструкция большинства концентраторов предусматривает слежение за Солнцем. Концентратор вращается вокруг одной или двух осей либо, в случаях станционарной установки, снабжается целым рядом плоских отражателей (гелиостатов), которые следят за Солнцем и отражают энергию на концентратор.

Основные типы солнечных концентраторов показаны на рисунке.

Солнечные печи

Из всех возможных высокотемпературных приложений солнечной энергии в промышленности наибольшее внимание уделялось развитию солнечных металлургических печей. В экономическом плане они не могут конкурировать с традиционными печами, однако они позволяют быстро получать сверхвысокие температуры в диапазоне 3 000-4 000°С и исключают появление примесей в обрабатываемом материале. Такие печи имеют большое значение для исследования свойств огнеупорных материалов при высоких температурах.

Наиболее известная из действующих печей расположена в Сон-Роне-Одейо, во Французских Пиренеях, на высоте 1700 м. Солнечные лучи улавливаются с площади около 2 тыс. м2 63 плоскими зеркальными гелиостатами, следящими за Солнцем. Они отражают лучи на огромный параболоидный концентратор высотой 40 м и шириной 54 м, состоящий из закаленного стекла 9 тыс. изогнутых граней. Излучение концентрируется на входе солнечной печи, где температура достигает примерно 4.000°С. Суммарная мощность печи составляет около 1 МВт. Большие солнечные печи сейчас работают в Алжире, Японии и США.

Термомеханическое преобразование солнечного излучения

Преобразование солнечного излучения в механическую энергию не является современным изобретением. Первая машина, качавшая воду под давлением расширяющегося воздуха, нагретого Солнцем, была разработана в 1615 г. во Франции. Поршневая машина, приводившая в действие печатный станок, была создана Мушо и демонстрировалась на выставке в Париже в 1879 году. До 1950 г. действовало довольно много машин, работавших на солнечной энергии, мощностью от нескольких 100 ватт до 50 кВт, например, установка, сооруженная в Египте в 1913 г. В большинстве этих машин концентрирующие коллекторы использовались для нагрева воды или воздуха до температуры порядка нескольких сот градусов. Полученный пар и нагретый воздух применялись затем для совершения механической работы. В термодинамическом цикле необходимо также использовать устройство для отвода части тепла. Всегда значительно ниже единицы, а максимально возможный коэффициент полезного действия зависит от температуры источника тепла.

2. Электричество

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получать электричество практически так же, как и из других источников, например, горючих ископаемых или ядерной энергии. Из-за ограничений, обусловленных КПД в цикле Карно, рабочие температуры должны быть порядка нескольких сот градусов по шкале Цельсия, поэтому необходимо применять концентрирующие коллекторы. На ряде экспериментальных станций уже осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Существуют два различных подхода к разработке систем солнечных термоэлектрогенераторов. Первый подход основан на использовании небольших централизованных станций для отдаленных районов. Второй — на создании крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько 10 мегаватт, рассчитанных на работу в центральной электросети.

Фотохимические реакции. Уже сегодня ток, вырабатываемый Солнцем, вовсю используется для нужд людей. Кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет в электроэнергию. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50%.

Не нужно думать, что в солнечной энергетике все определяет только КПД фотоэлемента. Главное не забыть, что полученная энергия должна где-то аккумулироваться. На вершинах Гималаев солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов. В пустынях Египта они питают ирригационные насосы, а в отдаленных районах Австралии — электрические ограждения для овец. В домах японских крестьян они греют воду и дают электроток.

Первые проектируемые «активные солнечные» дома имели среднюю площадь крыши дома — 50-70 м2. В солнечный летний день «крыша» могла отдавать электрическую мощность до 4-6 кВт. Постоянное напряжение 230 В подается на мощный полупроводниковый преобразователь, с выхода которого обычное переменное трехфазное напряжение 220/230 В поступает во внутреннюю сеть дома. В сеть можно включить любые стандартные электроприборы — лампочки, телевизор, радиолу, холодильник и т.п. В зависимости от освещенности солнечной батареи и потребляемой мощности электронный автомат-переключатель обеспечивает различные режимы солнечного дома — фотоэлементы могут только питать нагрузку или одновременно подзаряжать довольно большую аккумуляторную батарею, размещенную в подвале; когда мощность, поступающая от фотоэлементов, станет меньше 80 Вт, питание дома будет осуществляться только от аккумуляторов.

Несколько домов могут работать в общей, электрической сети, в этом случае электронные синхронизаторы заставят все преобразователи напряжения в домах работать согласованно, синфазно. В сеть могут включаться дома, где аккумуляторы иметь нежелательно (например, детский сад), а также потребители электроэнергии, не имеющие собственных солнечных батарей. Чтобы создать достаточную мощность источника энергии, в такую сеть включается несколько солнечных батарей, установленных на открытой площадке.

До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий электропередач, либо в особых видах изделий, где затраты энергии минимальны. Сейчас цена на эти элементы стремительно падает. В этом заслуга химиков, разработавших новые способы получения кремниевых солнечных элементов. КПД элементов на аморфном кремнии составляет 6-10 процентов, а на монокристалле — 12-16%, но первые значительно дешевле, так как для их создания не требуется материала высокой чистоты.

Преимущество солнечных электростанций (СЭС) состоит не только в практической неисчерпаемости энергетических ресурсов нашего светила, не только в возможности производства электроэнергии наиболее «чистым методом», без загрязнения окружающей среды. При сжигании различного топлива и, в конечном счете, превращении в тепло различных минеральных или механических ресурсов, нарушается энергетический баланс планеты и происходит ее «тепловое загрязнение». Особенно опасно в этом отношении сжигание каменного угля и нефти, поскольку оно приводит к значительному увеличению содержания СО2 в атмосфере и поглощению парами СО2 теплового излучения Земли. Трудно оценить последствия таких масштабов «теплового загрязнения», однако опасность его не вызывает сомнений.

Пожалуй, первый вопрос, который может возникнуть, следующий: как велика будет площадь Земли, покрытая преобразовательными системами для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем, и поэтому требование разработки эффективных преобразователей особенно важно. Так, например, при 10% КПД солнечных преобразователей (типичное значение КПД для кремниевых фотоэлементов, освоенных в серийном промышленном производстве для нужд космической энергетики) потребовалось бы покрыть такими преобразователями 12.500 км2, чтобы произвести всю электроэнергию, необходимую США в 1974 году. Заметим для сравнения, что магистральными автомобильными дорогами в США занята существенно большая территория (50 тыс. км2).

Следующий вопрос — накопление и сохранение энергии с учетом суточного солнечного цикла. Технические методы накопления и сохранения энергии в больших масштабах развиты относительно слабо, так как при других методах производства энергии эта задача практически не ставится. Для солнечных энергетических установок, комбинированных с другими типами электростанций, их объединение в единую энергетическую систему позволяет значительно упростить проблему. Основные методы накопления энергии: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое (с помощью вращающихся маховиков) и накопление в форме водорода.

Производство водорода путем электролиза воды является весьма эффективным и сравнительно дешевым процессом. Водород может сохраняться в виде гидридов металлов или в жидком состоянии, а затем использоваться для выработки электроэнергии в топливных элементах или в качестве горючего. Эффективной, особенно для СЭС небольших мощностей, может оказаться и гидроаккумуляция энергии. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в новом классе керамических материалов может позволить совершенно по-новому решать эту задачу: путем создания сверхпроводящих индуктивных накопителей электрической энергии.

Наконец, одной из самых главных проблем использования солнечной энергии является экономическая сторона. Какова стоимость производства, включая системы накопления электроэнергии на СЭС? Можно ли ожидать, что СЭС будут экономически конкурентоспособны по сравнению с другими источниками производства электроэнергии?

Еще совсем недавно полагали, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии пригоден лишь для решения частных задач, например, для автономных систем электропитания в труднодоступных или удаленных районах. Развитие новых методов производства полупроводникового кремния, разработка новых материалов и создание принципиально новых типов фотоэлектрических преобразователей кардинально меняют положение в этой области. С 1974 года стоимость 1Вт, рождаемого кремниевым полупроводниковым фотоэлементом, снизилась на порядок: с 50 до 5 центов. Для того чтобы СЭС стали экономически конкурентоспособными, нужно пройти такую же дистанцию — снизить стоимость еще в 10 раз. Для концентраторных СЭС этот путь может оказаться короче. Использование систем с концентраторами солнечного света позволяет резко снизить стоимость преобразования. И хотя их использование невозможно в облачные дни, но на планете много мест, где таких дней почти не бывает: Средняя Азия, Аравия, Аризона и Техас в США и многие другие районы, на Алтае — в Кош-Агачском районе Республики Алтай, другой претендент — Кулундинская степь.

Солнечные модули для СЭС сегодня изготавливаются в массовом масштабе на заводах, и объем строительно-монтажных работ для СЭС сводится к минимуму. СЭС мощностью 1 МВт может быть построена за несколько месяцев. Так, первая крупнейшая СЭС в Карисса-Плэйнс в Калифорнии мощностью 7,2 МВт была построена менее чем за год. СЭС, состоящая из различного количества модулей, представляет не сравнимую ни с какими другими типами электростанций гибкую систему для удовлетворения нужд большой и малой энергетики, центральной и автономной, для промышленности, сельского хозяйства, транспорта, туризма, экспедиций и т.д. 

-----------------------------------------

Энергия ветра

Ветряные электростанции (далее ВЭС) требуют определенного уважения со стороны владельца, как-никак иные достигают до 50-60 метров. Тут нужны, в зависимости от будущих планов, достаточные площади для установки ветроагрегата. В отличие от солнечных батарей также нужно на будущее продумать, куда сбрасывать «лишнее» электричество.

Как наиболее дешевый и доступный источник электроэнергии, ветер имеет своих сторонников в 95 странах. Правда, сегодня энергетики уделяют больше внимания строительству ветряных турбин большой мощности — от 1 мегаватта и выше, которые дают в 10 раз больше электричества, чем средняя модель ВЭС. Основные виды ветроэнергетических установок можно разделить на так называемые сетевые и ветро-дизельные системы. Под сетевыми подразумеваются установки, использующие воздушные турбины стандартного типа, которые подают энергию непосредственно в электросети, т.к. если будут излишки получаемой электроэнергии, необходимо сбрасывать «лишнюю электроэнергию» куда-то в сеть. Ветро-дизельный агрегат является гибридной системой, состоящей из двух основных компонентов — воздушной турбины и традиционного дизельного генератора. Оба компонента обладают примерно одинаковой мощностью. Воздушная турбина практически идентична сетевому ветродвигателю, но создание эффективной системы регулировки и управления для объединенного агрегата связано с трудностями профессионального характера — необходимо, чтобы техника находилась в одних руках, и мастер-электрик знал бы не только основы электротехники, но и имел представление о двигателях внутреннего сгорания, каким и является дизельный генератор.

Смешанные системы достаточно экономичны и эффективны.

Научный подход к установлению ВЭС

Успешное планирование проектов по использованию энергии ветра требует хорошего знания ветрового режима в той или иной местности. Для оценки рентабельности проекта необходимо рассчитать среднегодовой объем производства энергии ветродвигателем данного типа, а для этого, в свою очередь, требуется знать скорость и направление ветра на определенных высотах. Для обычных горизонтальных ветродвигателей — это высота оси ветроколеса над землей. Поскольку энергия ветра пропорциональна кубу (третьей степени) его скорости, точность оценки средней скорости ветра должна быть очень высокой. Ведь при изменении этой величины погрешность в 10% может привести к отклонению среднего значения расчетной выработки энергии примерно на 30%, что существенно затрудняет экономические прогнозы. Это, кстати, единственная из немногих существенных ошибок, допускаемых при установке ВЭС. Поэтому совершенно очевидно, что вопрос о доступности и качестве данных является очень серьезным и важным.

Объем потребляемой энергии и структура потребления, т.е. его изменчивость во времени, имеют большое значение при рассмотрении вопроса о целесообразности установки одного или нескольких высокопроизводительных ветродвигателей или обычной силовой установки. Существует значительное различие между гибридной системой и ветроустановками, подключенными к центральной сети. Если ветродвигатели осуществляют подачу энергии в систему, то предварительный анализ должен включать изучение эксплуатационных качеств систем различного типа. Т.е. необходимо знание электрических сетей и трансформаторных подстанций, находящихся на местности, где собираются устанавливать ВЭС.

Если ветровой режим достаточно благоприятен, то изучаются характеристики предполагаемой ветроэнергетической системы, чтобы оценить рентабельность проекта.

Когда ветродвигатели функционируют в рамках центральной сети, скорость оборотов турбины, а также частота генераторов переменного тока машины поддерживаются на постоянном уровне с помощью гораздо более мощных обычных генераторов, подключенных к сети. Принципиальное назначение сетевых ветродвигателей заключается в снижении нагрузки на обычные генераторы.

Когда же доля энергии, произведенной ветродвигателями, становится сопоставимой с объемом энергии, вырабатываемой обычными генераторами, возникают проблемы, связанные с регулированием системы. Преимущество ветровой системы заключается в том, что она может работать независимо от дизельного питания, по крайней мере время от времени используются возможности ветродвигателя в полную силу.

Ветроэнергетические системы можно подключать к энергосети больших городов или использовать в отдаленных районах, полностью лишенных энергоснабжения.

Современные ветровые агрегаты новых типов практически не нуждаются в привычном эксплуатационном персонале — они включаются и работают автоматически. Почти все узлы машин стандартны и поставляются в комплектном исполнении. Стоимость строительной части установок составляет около 10%. Поэтому сроки возведения установок и количество рабочих, необходимых для монтажа, минимальны. Практически машину мощностью 1000 кВт бригада из 10 рабочих сможет собрать и подготовить к пуску в течение месяца.

Конечно, ветер изменчив, и массовое строительство ветряков сделает необходимым создание в энергосистеме аккумулирующих (тепловых, электромагнитных или иных) систем. Однако примечательно, что энергия ветра и потребность в энергии (нагрузка системы) в течение года изменяются синхронно! В летний период, когда ветры слабы, требуется минимальная мощность в системе. В этот период можно ремонтировать, заменять и добавлять в систему ветроагрегаты.

Ветроэнергетические установки новых типов имеют небольшую материалоемкость, высокую заводскую готовность, допускают полную автоматизацию, требуют минимального отвода земли на пустырях, в степях, долинах, где ветры не способствуют другим видам деятельности, а также на вершинах гор и холмов. При развитии электросетей это позволяет ожидать, что себестоимость электроэнергии, получаемой на ветряках в указанных регионах, будет не выше средней существующей себестоимости. Мощность устанавливаемых ветряков зависит от хозяйственных потребностей. 

----------------------------------

Энергия биомассы

О чем прежде всего стоит предупредить при эксплуатировании биогазовых установок? Как и при работе с газовыми баллонами или дизельным топливом, нужны аккуратность и простая осторожность.

Понятие «биомасса» охватывает широкий круг остатков и отходов, таких, как навоз, отходы мясокомбинатов, гниющие овощи, а также различные бытовые и промышленные отходы. Это незаменимый источник энергии для сельскохозяйственных районов: зимой это может быть животноводство, особенно когда животные находятся на стойловом содержании, летом — отходы растениеводства.

Существует три типа систем по превращению биомассы в энергию: с применением прямого сжигания для производства тепла или электричества; с получением молекул, более богатых высокоэнергетическими элементами (углерод и водород); с использованием животных и домашнего скота. Органические отходы содержат энергию, которую можно получить физическим, химическим или микробиологическим способом. Физическим способом энергию получают путем сжигания отстоя сточных вод, мусора и навоза. Это наиболее простой и обычно самый дешевый способ преобразования биомассы в энергию.

Самый распространенный способ — микробиологическое безотходное производство. Это получение биогаза, технология которого может включать и простые резервуары при небольших фермах и герметические автоклавы среднего уровня сложности. Принцип производства метана, или биогаза: органические остатки в закрытых системах разлагаются метаногенными бактериями. Полученный метан и используется в биореакторах. Ценным побочным продуктом такого производства являются удобрения. В ряде стран используются установки по производству биогаза, и функционирует несколько комплексных систем. Биогазом можно отапливать теплицы, бассейны, сауны, спортивные сооружения, его можно подавать к специальным колонкам для заправки автомобилей.

В качестве примера можно привести шахтный генератор.

Он служит для получения горючего газа из древесных отходов, щепы, брикетов торфа и бурого угля, различных биомасс, а также из смесей всех этих видов топлива. Газогенератор представляет собой шахтную печь. В нее сверху подается топливо, которое под действием своего веса опускается. А снизу, ему навстречу, вдувается воздух через вращающуюся решетку. Топливо, встречаясь с горячим газом, нагревается, высыхает и отдает ему влагу. Температура в этой зоне, в зависимости от влажности топлива (а она может достигать 50%) бывает 200—400°С. Продолжая опускаться, топливо нагревается еще больше: до 400—800°С, происходит пиролиз — от топлива отделяются летучие вещества, оно коксуется. В газообразное состояние переходят не только легкие фракции углеводородов, среди которых основная — это метан, но и тяжелые, образующие древесную смолу.

В следующей температурной зоне (800—1200°С), а это и есть, собственно, зона газификации, закоксовавшееся топливо вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в свежем вдуваемом воздухе. В результате окисления (горения) образуются двуокись углерода СО2 и водяной пар. Но так как кислорода недостаточно, чтобы сгорел весь углерод, то при температуре выше 900°С продукты окисления продолжают взаимодействовать с несгоревшим углеродом. Процесс газификации завершается образованием окиси углерода (СО) и водорода, которые вместе с газообразными углеводородами, дегтем и являются горючими компонентами генераторного газа. Влажность автоматически регулируется в подаваемом в генератор воздухе и тем самым поддерживается температура в заданных пределах.

Эффективное производство газа из биомассы — лишь одна часть проблемы использования ее в качестве топлива. Другая часть связана со сжиганием такого газа. Где бы он в дальнейшем ни применялся, надо обеспечить полное его сгорание. Это важно не только из соображений экономичности работы. Должны строго выполняться и требования по охране окружающей среды.

Существующие горелки для этого не годились, так как они не были рассчитаны на сжигание газа, содержащего деготь. Была создана специальная горелка, в которой воздух смешивается с газом точно в той пропорции, которая обеспечивает полноту его сгорания.

В дымовых газах нет серы, а твердых веществ содержится не более 250 мг/м3, то есть меньше допускаемого любыми нормами. Благодаря этому не загрязняется окружающая среда. Станции не нужен фильтр очистки дымовых газов, без которого достичь столь малого количества пыли в дыме не удается ни при каком другом способе сжигания.

Такой генератор может работать без присутствия эксплуатационного персонала — в автоматическом режиме. Все параметры, от которых зависят режим работы и надежность, регулируются с помощью микропроцессорной техники.

Конструкция генератора и горелки такова, что позволяет, если необходимо, снизить мощность до 10% от номинальной. Более того, можно даже приостановить работу станции, а затем довольно быстро запустить ее. А сжигание топлива, обычно применяемого (например, дизельное), дает возможность повышать мощность на 40%. Такой широкий диапазон регулировки обеспечивает оптимальное использование мощности в течение года.

Горючий газ, полученный из навозных стоков газа, имеет высокое содержание метана. Процесс сбраживания обычно ведется в герметичных условиях, без доступа воздуха.

Средняя биогазовая станция, использующая для получения биогаза отходы крупного животноводческого комплекса обычно имеет следующую конструкцию. Навоз перегнивает в восьми ферментерах, каждый из которых за месяц дает около 2500 кубометров газа. Энергия газа, состоящего главным образом из метана, может идти на нагревание воды для прилежащих ферм и зданий.

При температуре 65-70°С нагревается 12 тысяч литров воды, на это уйдет около 400 м3 газа. Зимой на отопление зданий уходит еще 150 м3. На газе может работать движок, потребляющий для выработки 1 кВт•час — 1,14 м3 газа. После гниения навоз превращается в почти лишенное запаха и свободное от болезнетворных организмов сухое удобрение.

Наши партнёры
656052, г.Барнаул, ул.Матросова, 120
Обратная связь
© 2010.Общественное объединение "Фонд Алтай-21 век".
Все права защищены. Копирование материалов только с указанием ссылки на первоисточник
Карта сайтаЗаметки
Последнии статьи: Букеты от www.igrushki-iz-cvetov.ru Гибка труб на http://gnem-trubi.ru На pugovkishop есть все для рукоделия Путешествуем с http://www.worldtravel.kiev.ua/category119/ Бакалавриат за границей Аренда помещений в Воронеже Заработок в интернете Пояс для чулок Заказать вступление в СРО строителей можно на сайте www.nado-v-sro.ru Курсы флористики для начинающих в школе www.dop-c.ru в Школе дизайна
Разработка сайта: