Использование энергии ветра, солнца и других явлений природы в энергетике

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний (к сожалению, ресурс его эксплуатации ограничивается 25-30 годами), Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Новый рекорд в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 41 % попавшего на него солнечного света.

Это достижение стало возможным, с одной стороны, также благодаря использованию двухслойной конструкции. Верхний слой - из арсенида галлия. Он поглощает излучение видимой части спектра. Нижний слой - из антимонида галлия и предназначен улавливать инфракрасное излучение, которое обычно теряется. С другой стороны, высокая эффективность достигается благодаря специальному покрытию, преломляющему свет и фокусирующему его на активные области солнечной ячейки.

 Солнечные пруды. Солнечные пруды – еще более дешевый способ улавливать солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Иными словами, в солнечных прудах используется тот же принцип, что и в парниках, только земля и стекло заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электричества; им нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводит в движение турбогенераторы низкого давления. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

Учитывая все вышеизложенное, можно выделить основные достоинства и недостатки использования данного вида получения энергии.

Достоинства: 
- общедоступность и неисчерпаемость источника;

-теоретически, полная безопасность  для окружающей среды, хотя существует  вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (лат. Albus - белый – характеристика отражательной способности поверхности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это маловероятно).

Недостатки:

- зависимость от погоды и времени суток;

- как следствие, необходимость  аккумуляции энергии;

- большая площадь для развертывания установок.

Следует добавить, что ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Предлагаются и подчас фантастические предложения, например такие, как строительство космической солнечной станции на орбите планеты, способной принимать испускаемое Солнцем излучение напрямую, без влияния атмосферы, как это происходит на поверхности Земли, к тому же постоянно. Остается лишь изобрести способ передавать полученную энергию из космоса на землю без использования электропроводов. Эта идея не кажется такой уж и фантастической, учитывая тот факт, что первые практические опыты в нашей стране по передаче энергии без проводов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руководством профессора С.И. Тетельбаума в Киевском политехническом институте около 30 лет назад. Две простейшие квадратные антенны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позволили передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40%, а на расстояние 5 км - с КПД 60%. Принимая во внимание современное состояние техники, можно полагать, что удастся существенно улучшить все показатели беспроводной линии передачи энергии с помощью СВЧ-излучения. Кто знает, возможно в ближайшем будущем подобный способ передачи будет таким же обыденным как и простая лампа накаливания в помещениях.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

 

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце.

Но, как ни странно, такой, казалось бы, непостоянный источник энергии как ветер в настоящее время активно исследуется. Поэтому ветроэнергетика активно развивается – 24 % в год. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Во многих странах возникла новая отрасль – ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа. Например, в Дании 13% электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Половина ветровых турбин изготавливается именно в этой стране, отсюда их развозят по всему свету.

Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. Уже позже делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе.

      Ветродвигатели

      Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Выход энергии не находится в линейной зависимости от длины лопасти и от скорости ветра: он растет пропорционально квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра. Именно поэтому инженеры склоняются в пользу крупных ветродвигателей и стремятся перехватить ветер на большой высоте.

 

 

Типы ветродвигателей

 
 
 
 Рис. 3 Основные разновидности ветрогенераторов

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 3. Они делятся на две группы:

1. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные(1) и ортогональные (6));
2. ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);

 
Крыльчатые 
 
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. 
 
Рис. 4 Традиционный крыльчатый ветрогенератор

      Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения– неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

      Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.

      Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

      Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

      Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

      Карусельные 
      Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем “откуда дует ветер”, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

      Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

     Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряки можно строить на побережьях Черного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье или на юге Западной Сибири, в Центральном Черноземном районе. Но самой большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова. В нынешнюю эпоху высоких цен на топливо можно думать, что ветродвигатели окажутся конкурентоспособными по стоимости и смогут участвовать в удовлетворении энергетических нужд страны.

Таблица 1. Суммарная установленная мощность ветростанций различных стран мира

Страна, регион	Установленная мощность (МВт)
США    Дания    Германия    Великобритания    Нидерланды    Испания    Греция    Швеция    Италия    Бельгия    Португалия    Ирландия    Франция    Остальные регионы Европы    Индия    Китай    Остальные регионы Мира	1700    520    320    145    132    55    35    12    10    7    2    7    1    35    100    25    75
Всего	около 3200

 
 
      Но ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

      Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, что и дорого, и мало эффективно. 
      Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны со скоростью ветра 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны (табл. 2).

Район	Ср.скорость ветра, м/с	Возможные типы ВЭС
Побережье Ледовитого океана, отдельные места у берегов Каспийского моря	> 6	Крупные ВЭС по 3 - 4 МВт
Европейская часть СНГ, Западная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка	3,5 - 6	ВЭС средней мощности
Юг Средней Азии, Восточная Сибирь	< 3,5	Мелкие ВЭС для решения локальных задач

 Таблица 2. Возможности использования энергии ветра

Но совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Поэтому для размешения ветряной станции высокой мощности требуется большие площади.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц.

Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает — везде.