Нетрадиционная энергетика

Введение.

Под нетрадиционными (альтернативными  или возобновляемыми) топливно-энергетическими  ресурсами (ТЭР) понимают энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, биомассы, сточных вод и твердых  бытовых отходов. Энергообъекты, использующие альтернативные ТЭР для получения тепловой, механической и электрической энергии, называют альтернативными источниками энергии.

Основной особенностью возобновляемых источников энергии является то, что  воспроизводство их энергетического  потенциала происходит быстрее, чем  расходование. Установки, работающие на возобновляемых источниках, оказывают  гораздо меньшее воздействие  на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии. Государственная программа  Республики   Беларусь на период до 2020 г. предусматривает использование нетрадиционных источников энергии в нарастающих масштабах. С учетом природных условий республики предпочтение отдается малым гидроэлектростанциям, ветро- и биоэнергетическим установкам, установкам для сжигания отходов растениеводства и бытовых отходов, гелиоводоподогревателям. В Государственной программе потенциал экономии традиционных (ископаемых) ТЭР за счет использования альтернативных источников энергии к 2020 г. оценивается примерно в 5 млн. т у. т. (более 15 % от всех ТЭР). В отличие от многих других мероприятий использование альтернативных ТЭР дает реальную, легко учитываемую экономию топлива и социальный эффект. Альтернативные источники энергии зачастую не требуют транспортирования, удобны для локального энергоснабжения небольших удаленных объектов, что особенно важно для агропромышленных комплексов (АПК). При выборе источников энергии следует иметь в виду их качество, оценивающееся долей энергии, которая может быть превращена в механическую работу. Возобновляемые источники энергии по их качеству условно делятся на три группы:

— источники механической энергии довольно высокого качества: около 30% - ветроустановки, 60% - гидроустановки, 75% - волновые и приливные станции;

— источники тепловой энергии с качеством не более 35% - прямое или рассеянное солнечное излучение, биотопливо;

— источники энергии, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления, имеют различное качество на разных частотах излучения; в среднем КПД (коэффициент полезного действия) фотопреобразователей составляет примерно 15%. Далее, характеризуя возможности различных возобновляемых энергетических ресурсов (ЭР), уделим особое внимание целесообразности их развития и использования в энергобалансе республики.

Вопрос №1. Ветроэнергетика.

 Ветер — это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому. Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью (υв) и направлением. Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале Бофорта.

Ветроэнергетика — это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств, для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной, является то, что она может быть использована практически повсеместно. Ветродвигатель — устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую или тепловую. Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор), аккумулирующие устройства, системы автоматического управления и регулирования и др. Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра являются разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеяния энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений. Ветроэнергетичическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75—95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30—40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15—30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата. К основным техническим характеристикам ВЭУ относятся: номинальная мощность; номинальная (расчетная) скорость ветра; минимальная скорость ветра; максимальная рабочая скорость ветра; номинальная частота вращения ветроколеса. Номинальная мощность (Рн' кВт) — это мощность ВЭУ, развиваемая при скорости ветра в пределах от номинальной (расчетной) до максимальной рабочей. Значение Рн указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель. Номинальная (расчетная) скорость ветра (υр' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость различна. Минимальная скорость ветра (υ0' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в работу. Для тихоходных установок эта скорость не превышает 2...3 м/с, для быстроходных υ0 ≥ 7 м/с. Максимальная рабочая скорость ветра (υм' м/с) — скорость ветра, превышение которой может привести к разрушению ВЭУ. При υв > υм производят так называемое штормовое (или буревое) отключение ВЭУ. Значение υм для различных типов ВЭУ лежит в пределах 25...60 м/с.

Рис.1. Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра при регулировании скорости вращения ветроколеса: Рн — номинальная мощность ВЭУ; υ0 — минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию; υр — расчетная скорость ветра; υм — максимальная скорость ветра для работы ВЭУ

Номинальная частота вращения ветроколеса (nнвк' об./мин) — это такая скорость вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для большинства современных ВЭУ частоту вращения ветроколеса регулируют с целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра.

1.1. Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок

ВЭУ по своему назначению и  виду преобразования энергии ветра  в другие виды подразделяют на: ветромеханические, ветроэлектрические, ветротепловые и комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии). Наиболее универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее распространение. С точки зрения автономности использования различаются ВЭУ:

— автономные;

— работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.);

— работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут  использоваться в качестве источника  энергоснабжения, и в первую очередь  — электроснабжения объектов, удаленных  от ЛЭП (линии электропередач), газопроводов и других коммуникаций. Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрырывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки. Так, для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект не менее 2-х суток. ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками, позволяют наилучшим образом выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива. При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему. Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса. Быстроходное ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три.

Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что  они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается  путем поворота оси вращения ветроколеса  от направления ветра, уменьшением  площади рабочих поверхностей ветроколеса  и др. В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся  на горизонтально - и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра. Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.

1.2. Ветряные мельницы на службе человека.

Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело  к появлению на свет множества  таких агрегатов. Некоторые из них  достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они  могли бы образовать настоящую электрическую  сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения  электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически  подключается к генератору в тот  момент, когда напряжение на его  выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также  автоматически отключается при  противоположном соотношении. В  небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько  десятилетий назад.

Сейчас созданы самые  разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей  с электрогенераторами). Одни из них  похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с  алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.  Так как наша страна находится в умеренной ветровой зоне, то нам особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор, при планировании ВЭУ. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. По данному типу спроектирована одна из ВЭС в Беларуси (ВЭУ в Мядельском районе мощностью 250 кВт.  Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии. По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

1.3. Как хранить энергию ветра?

При использовании ветра  возникает серьезная проблема: избыток  энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок  энергию ветра? Существует несколько  способов сохранения энергии:

• Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

• Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.

• Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Решающим фактором, который  определит, значителен ли будет вклад  ветровой энергии в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность создания соответствующей  технологии. Он связан в основном с  национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких  установок для населения. Разрабатываются  также ветроэнергетические установки  единичной мощностью в диапазоне  от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для  выработки электроэнергии в составе  существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а именно:

• производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;

• использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и кислорода;

• использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;