Lecture 4

№4 Возобновляемые источники энергии

Лекция 4
Возобновляемые источники
энергии
К.т.н., доцент кафедры «Электроснабжение»
Астахов Сергей Михайлович

Астахов С.М.


Возобновляемая или регенеративная энергия - энергия из источников,
которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной
принцип использования возобновляемой энергии заключается в её
извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и
предоставлении для технического применения. Возобновляемую энергию
получают из природных (возобновляемых) ресурсов - таких как солнечный
свет, ветер, дождь, приливы и геотермальная теплота - которые являются
возобновляемыми (пополняются естественным путем). .

Возобновляемые ресурсы - природные ресурсы, запасы которых или
восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того,
используются они или нет. Это довольно расплывчатое определение, и часто
в понятие «возобновляемые ресурсы» включают не совсем то, что это
словосочетание обозначает. Термин был введён в обращение как
противопоставление понятию «невозобновляемые ресурсы» (ресурсы,
запасы которых могут быть исчерпаны уже в ближайшее время при
существующих темпах использования). .
Многие ресурсы, которые относят к возобновляемым, на самом деле не восстанавливаются и
когда-нибудь будут исчерпаны. В качестве примера можно привести солнечную энергию. С
другой стороны, при достаточном развитии технологии, многие ресурсы, которые традиционно
считаются невозобновляемыми, могут быть восстановлены (например, металлы можно
использовать повторно).


Основное преимущество возобновляемых источников энергии -
неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет
энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного
развития возобновляемой энергетики за рубежом. .
На долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ), если не учитывать
«большую» гидроэнергетику, приходится менее 8% (7,4%), в России этот
показатель еще ниже и составляет менее доли 1%. По имеющимся оценкам,
технический потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд. т.у.т. в
год, что превышает современный уровень энергопотребления России,
составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал ВИЭ
определен в 270 млн. т.у.т. в год, что составляет около 25% от годового
внутрироссийского потребления. .
Химическая или ядерная энергия топлива переводится в различные виды
энергии, и чаще всего через преобразование выделяемого при реакциях
тепла тепловыми двигателями. Основной показатель топлива -
теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов
топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания одного
килограмма «условного топлива» (у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал -
что примерно соответствует каменному углю).

В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно
увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и
удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие
годы. Общую мировую потребность в электроэнергии, полученной за счет
использования ВИЭ (по разным источникам) можно обеспечить в объеме
порядка 30%. В отдельно взятых промышленно развитых странах это
значение уже составляет от 12 до 24%. В Швеции – 24%, во Франции – 15%, в
США и Китае – 14%, в Дании и Германии – 12%. В 2007 году государства
участники ЕС приняли соглашение, которое предусматривает, что к 2020 году
не менее 20%, а к 2040-му - 40% всей потребляемой ими электроэнергии
должно производиться с использованием возобновляемых, экологически
чистых источников. .
Правительство КНР пересмотрело принятую в 2007 году целевую программу по
ускоренному развитию альтернативной энергетики. На новую 10-летнюю программу
оно намерено выделить 293 млрд. долларов. Где особая роль отведена солнечной
энергетике, а также энергии ветра. Китай поставил цель довести к 2050 году размер
производства энергии из альтернативных источников до 40% в общем энергетическом
балансе страны. А китайское министерство энергетики приняло новый план, который
предусматривает доведение мощности ветряных электростанций к 2020 году до 100
ГВт (примерно 20% всех энергетических мощностей страны на данный момент,
«Санься» всего лишь – 5%).


В нашей стране, до 2009 года не было принято ни одного закона по
проблеме возобновляемых источников энергии. И только 16 января 2009
года, премьер-министр России В.В. Путин подписал постановление об
основных направлениях государственной политики в сфере повышения
энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования
возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. В соответствии
с этим документом, доля альтернативной энергетики, или возобновляемых
источников энергии, в нашей стране, как предполагается, составит к 2015
году 2,5%, а к 2020-му – 4,5%. Подписание документа означает, что любой
инвестор, вложившийся в строительство таких энергомощностей, будет
получать фиксированный возврат средств от государства на каждый
киловатт-час, возврат составит 2,5 копейки на 1 кВт·ч. Они будут собираться
со всех потребителей на территории страны. По замыслу эта компенсация
должна сделать альтернативную энергетику прибыльной. .
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН
(1978г.) к возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная,
ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия
биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев,
битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.


Если обратиться к [ГОСТ Р 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-
методическое обеспечение. Основные положения. – Введ. 2000-07-01. и
Закон Российской Федерации «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля
1996 г] ВИЭ это:
.
- солнечное излучение, энергия ветра, рек, морей и океанов, внутреннего
тепла Земли, воды, воздуха; .
- энергия естественного движения водных потоков и существующих в
природе градиентов температур; .
- энергия от использования всех видов биомассы, получаемой в качестве
отходов растениеводства и животноводства, искусственных
лесонасаждений и водорослей; .
- энергия от утилизации отходов промышленного производства, твердых
бытовых отходов и осадков сточных вод; .
- энергия от прямого сжигания растительной биомассы, термической
переработки отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.
Другими словами ВИЭ – это источники непрерывно возобновляемых в
биосфере Земли видов энергии. Возобновляемая энергия не является
следствием целенаправленной деятельности человека, и это является её
отличительным признаком.


Классификация ВИЭ

Источники Естественное Вторичная
первичной преобразование Техническое преобразование потребляемая
энергии энергии энергии энергия
Земля Геотермальное тепло Геотермальная электростанция
Земли
Испарение атмосферных Гидроэлектростанции
осадков (напорные и
свободнопоточные)
Движение Ветроэнергетические
атмосферного воздуха установки
Морские течения Морские электростанции
Солнце
Движение волн Волновые электростанции Электричество

Электростанции на биомассе
Фотосинтез
Фотоэлектричество

Планеты Приливы и отливы Приливные электростанции


Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ
и материалов Земли, которые используются человеком для производства
энергии. Примером таких источников энергии является ядерное топливо и
углеводороды (уголь, нефть, газ). Энергия невозобновляемых источников в
отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и
высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
На Россию приходится 12% мировых запасов нефти, 35% запасов газа, 16%
угля и 14% урана. И это при том, что население нашей страны составляет
всего 2,4% от численности всего человечества. В связи с этим и сложилось
понятие, что в стране богатой углём, газом и нефтью, не может быть
стимулов для производства альтернативной энергии. Это была основа
государственной энергетической стратегии России. Но в последние годы
возрастает интерес к более интенсивному использованию возобновляемых
источников энергии, в большей степени на данный курс оказывает сильное
влияние тот факт, что свыше 75% территории страны не имеет
централизованного энергоснабжения и доставлять туда то же
углеводородное топливо становится с каждым годом все дороже.
.
Потребление углеводородов по всему миру ежегодно возрастает в
среднем на 4%. При сегодняшнем темпе потребления, по различным
источникам: нефти хватит на 20÷30 лет, газа на 70÷80 лет, больше всего


ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ

На карте указаны места расположения наиболее крупных действующих и
строящихся объектов возобновляемой энергетики РФ.



Геотермальные ресурсы России


Очень перспективный энергоресурс – геотермия (тепло недр Земли). Оно
доступно круглосуточно. Разведанные запасы геотермальной энергии более
чем в тридцать раз превосходят все ископаемые ресурсы вместе взятые.
Германия, Италия, Мексика, Индонезия, Новая Зеландия, Япония, Коста-Рика,
Сальвадор, Филиппины и США уже активно добывают энергию из этого
источника. А Исландия за счет геотермии полностью покрывает свои
потребности в электрической и тепловой энергии.
В России действуют всего несколько геотермальных электростанций (на
Камчатке и Курильских островах). Есть и регионы, обладающие не меньшими
геотермальными ресурсами – Чукотка, Приморский край, Западная Сибирь,
Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская
область.
Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной
энергии в виде парогидротерм (пароводных терм) вулканических районов и
энергетических термальных вод с температурой 60-200°C в платформенных и
предгорных районах. В 1967 г. на южной оконечности Камчатки была создана
первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная
впоследствии до мощности 11 МВт. Пробуренные в Паужетской
геотермальной системе несколько десятков скважин в суммарном объёме
производят пароводяную смесь в количестве, достаточном для расширения
Паужетской ГеоТЭС до 25 МВт. Астахов С.М.


Мутновская ГеоТЭС

Паужетская ГеоТЭС



Три конденсационных блока по 4 МВт смонтированы на Верхне-
Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. Строительство Верхне-Мутновской ГеоТЭС
было начато в 1995 г. и завершено в 1999 г. В настоящее время мощность
введенной в эксплуатацию ГеоТЭС составляет 12 МВт.
На Мутновской ГеоТЭС, проектная мощность которой составляет 80 МВт,
будут установлены 4 энергомодуля мощностью по 20 МВт. Строительство
ГеоТЭС начато в 1992 г. на 2х площадках, на каждой из которых располагается
главный корпус с двумя энергоблоками. Сейчас мощность составляет 50 МВт.
В 1989 г. на Северном Кавказе была создана опытная Ставропольская ГеоТЭС
с использованием двухконтурных энергоустановок. В качестве теплоносителя
применяется термальная вода с температурой 165 °C, добываемой с глубины
4,2 км. Мощность Ставропольской ГеоТЭС 3 МВт (остановлены все работы).
Кроме указанных геотермальных теплоэлектростанций разработан проект
и выполнено технико-экономическое обоснование Океанской ГеоТЭС на о.
Итуруп в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30
МВт (пока всего 2,5 МВт). На острове Кунашир (Курилы) эксплуатируется
Менделеевская ГеоТЭС мощностью 1,8 МВт.
Все четыре российские геотермальные электростанции расположены на
территории Камчатки и Курильской гряды, где суммарный электропотенциал
пароводных терм оценивается в 1 ГВт рабочей электрической мощности.


Ветроэнергетические ресурсы России


В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных
ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт,
находящиеся в опытной эксплуатации.
Там, где населенные пункты или производства не подсоединены к единой
энергосети, где затруднен подвоз топлива, достаточно эффективны
ветроэнергетические станции. Хотя бы в арктической зоне. И такого рода
проект в Советском Союзе был. Предполагалось создать кольцевую систему
длиной 1100 и шириной 40 километров из 238 групп ветроагрегатов на
Кольском полуострове, где подходящий по силе ветер дует круглый год.
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50
000 миллиардов кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно
260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии
всеми электростанциями России.
Установленная мощность ветровых электростанций в стране составляет
около 15 МВт.
Одна из самых больших ветроэлектростанций России Куликовская ВЭС
расположена в районе поселка Куликово Калининградской области. В июле
2002 г. при поддержке датской компании "SЕАS Energi Service A.S." состоялось
её открытие. Среднегодовая выработка составляет около 6 млн кВт·ч.
Куликовская ВЭС состоит из 21 ВЭУ датского производства мощностью 225
кВт каждая, суммарная мощность составляет 5,1 МВт. Астахов С.М.


Куликовская ВЭС (Калининградская область) состоит из 21 ВЭУ датского
производства мощностью 225 кВт каждая, суммарная мощность составляет
5,1 МВт.



На Чукотке действует В республике Коми вблизи г.
Анадырская ВЭС мощностью 2,5 Воркута с 1993 г. строится
МВт (10 ветроагрегатов по 250 Заполярная ВЭС мощностью 3 МВт.
кВт) среднегодовой выработкой Пока действуют 6 установок первой
более 3 млн кВт·ч, параллельно очереди по 250 кВт общей
установлен ДВС (30 % мощности). мощностью 1,5 МВт.



В Калмыкии в 20 км от г. Элиста размещена площадка Калмыцкой ВЭС
планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт·ч,
сейчас на площадке установлена одна установка «Радуга-1» мощностью 1
МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт·ч.



Также крупные ветроэлектростанции расположены у деревни Тюпкильды
(Туймазинский район, Башкортостан) 2,2 МВт.
В 1996 году в Ростовской области установлена Ростовская (Маркинская)
ВЭС (ВЭС-300) мощностью 0,3 МВт. 10 ВЭУ по 30 кВт предоставила немецкая
компания HSW в рамках проекта «Эльдорадо Винд».
Строительство «Морского ветропарка» в Калининградской области
мощностью 50 МВт в 2007 году было заморожено.
Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75
МВт, Ейской ВЭС 72 МВт, Морской ВЭС 30 МВт (Карелия), Приморской ВЭС 30
МВт, Магаданской ВЭС 30 МВт, Чуйской ВЭС 24 МВт (Алтай), Усть-Камчатской
ВДЭС 16 МВт, Новиковской ВДЭС 10 МВт (Коми), Дагестанской ВЭС 6 МВт,
Анапской ВЭС 5 МВт, Новороссийской ВЭС 5 МВт.
«Программа развития ветроэнергетики РАО „ЕЭС России“». На первом
этапе (2003-2005гг.) начаты работы по созданию многофункциональных
энергетических комплексов (МЭК) на базе ветрогенераторов и ДВС. На
втором этапе будет создан опытный образец МЭТ в посёлке Тикси (Якутия)
мощностью 3 МВт. В связи с ликвидацией РАО ЕЭС России все проекты,
связанные с ветроэнергетикой были переданы компании РусГидро. В конце
2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для
строительства ветряных электростанций.


Ресурсы солнечной энергетики России



Самое изученное и весьма
перспективное на сегодняшний день
направление - солнечная энергетика, так
как она находится в наиболее развитом
состоянии и отвечает требованиям
безопасности, экологичности,
доступности и изученности последствий
ее применения.
В 1985 году в Крыму была построена
первая экспериментальная солнечная
электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт
с термодинамическим циклом
преобразования энергии. Это была самая
современная в мире солнечная
электростанция. В центре большого поля,
диаметром 500 метров была
расположена башня высотой 89 метров,
в верхней части которой находился
паровой котел.

Башня была окружена полем из гелиостатов – зеркальных отражателей,
каждый площадью 25 кв.м. Каждый гелиостат, а всего их было 1600, был
оборудован электрическими приводами зенитного и азимутальногo
вращения. Управляющая работой ЭВМ при помощи электроприводов
корректировала положение гелиостатов таким образом, чтобы в любой
момент времени все отраженные солнечные лучи были направлены строго
на котел. Турбина и генератор находились на земле, в специальном
помещении. Еще одной частью электростанции был теплоаккумулятор,
состоящий из двух емкостей для высокотемпературной пароводяной смеси,
объемом по 1000 кубометров каждый.
В случае плохой погоды или же
ночью, он способен был обеспечить
работу станции на стандартной
мощности в течении 3-4 часов, плюс
еще около 10 часов в режиме
пониженной мощности (примерно
50%).
Проектная мощность станции
составляла 5 МВт. Такая же мощность
была у первой советской атомной
электростанции.

Полная установленная мощность всех солнечных электростанций мира на
тот момент составляла 21 МВт. Первое пробное включение генератора
станции СЭС-5 в сеть состоялось в сентябре 1985 г. В тот момент
функционировало 420 гелиостатов. Полностью станция вступила в строй в
1986 году. Общая стоимость строительства СЭС-5 составила около 29 млн.
рублей. За время до остановки в начале 90-х солнечная электростанция
выработала около 2 млн кВт-ч электроэнергии. Уже после начала работы
СЭС-5, в Минэнерго был разработан проект строительства комбинированной
промышленной солнечно-топливной электростанции мощностью 320 МВт.
Место для нее было выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи
города Талимарджана. Такая электростанция получалась гораздо
экономичнее, чем обычные ТЭЦ. После распада СССР, СЭС-5 проработав пару
лет была закрыта за ненадобностью и отсутствием финансирования, зеркала
гелиостатов и парогенератор сданы в металлолом. Единственное, что
осталось - это руины башни да заброшенный гигантский "круг" зеркального
поля.
Наибольшее развитие солнечная энергетика получила в Японии 48%,
Германии 23% и США 16%. В этих странах приняты законы и постановления
по развитию ВИЭ, а так же предоставляются различного рода льготы тем, кто
использует ВИЭ. Сегодня уже более двух десятков стран используют или
начали использовать солнечную энергию. Астахов С.М.


В 1968 г. в Кислой губе на побережье Баренцева моря появилась
экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт.

Макет Кислогубской ПЭС

Кислогубская ПЭС (1968 год)



ПЭС является научной базой ОАО "Научно-исследовательский институт
энергетических сооружений". Из-за финансовых трудностей была
законсервирована в середине 90-х годов и не эксплуатировалась, но в июне
2003 г. руководством Мурманской области и РАО "ЕЭС России" было принято
совместное решение о ее восстановлении.
На северодвинском
оборонном предприятии
"Севмаш" был построен
принципиально новый
наплавной энергоблок
для Кислогубской ПЭС,
из таких блоков
планируется строиться
новые приливные
станции. В целом, по
мнению экспертов,
только за счет приливов
в России можно
получать до 20% всей
потребляемой энергии.


В качестве перспектив развития приливной энергетики в России следует
отметить проекты Мезенской ПЭС на Белом море (19200 МВт), Тугурской ПЭС
на Охотском море (7980 МВт). Колоссальные мощности проектируемых ПЭС,
обусловленные природными условиями, требуют большое число (по
нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции, длительные сроки
строительства, огромные капиталовложения как непосредственно в
строительство ПЭС, так и в мероприятия по их адаптации в рамках
энергосистемы).
В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые
ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть
предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства
современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт. В настоящее
время действуют около 50 микроГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт.
В России в настоящее время работают несколько комплексов с
биогазовыми установками, среди них: в Подмосковье - птицефабрика
"Новомосковская", животноводческая ферма "Поярково" агрофирмы "Искра"
Солнечногорского района Московской области, Сергачевская птицефабрика в
Нижегородской области. В Российской отраслевой программе
"Энергосбережение в АПК" на 2001-2006 годы, в разных областях, было
запланировано строительство 126 биогазовых установок.


Гидроэнергетические ресурсы России



Наиболее быстрыми темпами в мире в последние годы развиваются
технологии практического использования фотоэлектрических
преобразователей энергии, средний ежегодный прирост которых
составляет порядка 60%.
Высокими темпами внедряются и другие технологии использования ВИЭ:
ветроустановки – 28%,
производство биотоплив – 25%,
солнечные нагревательные установки – 17%,
геотермальное теплоснабжение – 13%,
малые и микро-ГЭС – 8%.
В то время как традиционные отрасли энергетики развиваются темпом
2÷4% в год, в том числе «большая» гидроэнергетика 2%, атомная энергетика
1,6%



ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Солнечная энергетика - непосредственное использование солнечного
излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика
использует возобновляемый источник энергии и является экологически
чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с
помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией
распределённого производства энергии.
Энергия Солнца
использовалась человеком с
древних времен. Так,
своеобразным примером
может служить применение
Архимедом фокусирующих
металлических зеркал в
сражении против римлян в
214 году до н. э. в Сиракузах.
Отраженные лучи солнца концентрировались на корпусах и снастях судов,
вызывая их загорание, что вынудило римский флот к бегству.



Технические проекты и
устройства, основанные на
использовании энергии Солнца,
впервые появились во второй
половине ХIХ века. Первый
действующий солнечный насос был
изобретен и описан французским
инженером Соломоном де Коси
(1576-1626). Шведский философ де
Соссюру (1740-1799) создал и
описал солнечную кухню на основе
концентрических зеркальных
камер.
В конце ХIХ столетия появляется ряд интересных изобретений: солнечный
двигатель с воздушным циклом, устойчиво работавший в ясный солнечный
день со скоростью 420 мин-1 (Джо Эриксон из Нью-Йорка), солнечная
опреснительная установка его соотечественника Чарльза Уилсона. Профессор
Е.Моурс (штат Массачусетс) предлагает использовать солнечную энергию для
отопления жилых помещений.


С начала ХХ столетия с появлением все более совершенных двигателей
внутреннего сгорания интерес к использованию солнечной энергии упал. В
1958 г. на третьем советском искусственном спутнике Земли впервые в мире
были установлены солнечные батареи, что положило начало применению
фотоэлементов для непосредственного преобразования солнечной энергии в
электрическую.
Ежегодно с солнечной радиацией на Землю поступает около 5·1024 Дж
энергии. Солнечное излучение проходит путь от Солнца до Земли 1,5·108 км
за восемь минут. Начальная интенсивность излучения настолько велика, что
на пределах земной атмосферы плотность потока энергии его составляет
1360 Вт/м2. Эту величину называют иногда солнечной постоянной. Однако
вследствие различных взаимодействий в атмосфере до Земли доходит лишь
часть этой энергии. Кроме того, интенсивность солнечного излучения в
любой точке земного шара зависит от времени суток, сезона и
географического положения.



Возможные потери энергии солнечного излучения при прохождении
атмосферы Земли

а - отражение от поверхности Земли; б - отражение в пределах атмосферы;
в – рассеяние в пределах атмосферы; г - рассеяние у поверхности Земли;
д - излучение, достигающее поверхности Земли



Достоинства солнечной энергетики
- Общедоступность и неисчерпаемость источника
-Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует
вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может
изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата
(однако при современном уровне потребления энергии это крайне
маловероятно).

Типы солнечных электростанций
Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:
 СЭС башенного типа
 СЭС тарельчатого типа
 СЭС, использующие фотобатареи
 СЭС, использующие параболические концентраторы
 Комбинированные СЭС
 Аэростатные солнечные электростанции


СЭС башенного типа
Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара
с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня
высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других
параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой
находится резервуар с водой. Этот резервуар покрыт чёрным цветом для
поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная
группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни.
По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.
Гелиостат - зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое
на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в
зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в
пространстве. Основная и самая трудоемкая задача - это позиционирование
всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные
лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в
резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры
используются на большинстве традиционных тепловых электростанций,
поэтому для получения энергии используются стандартные турбины.
Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой
КПД (около 20 %) и высокие мощности.


Солнечная башня в Севилье
PS10 – это первая коммерческая солнечная электростанция в Европе, построенная
вблизи Севильи, в Испании. 115 метровая башня, окруженная 624 зеркалами,
производит электроэнергию, достаточную для снабжения 60000 домов. Мощность
станции 11 МВт. Площадь поверхности каждого зеркала – 120 кв.м. На башне
установлены солнечный коллектор, парогенератор и турбина. Стоимость
электроэнергии, вырабатываемой на этой станции, в три раза выше энергии от
централизованных источников.


СЭС тарельчатого типа
Данный тип СЭС использует принцип
получения электроэнергии, схожий с
таковым у Башенных СЭС. Станция
состоит из отдельных модулей.
Модуль состоит из опоры, на которую
крепится ферменная конструкция
приемника и отражателя. Приемник
находится на некотором удалении от
отражателя, и в нем концентрируются
отраженные лучи солнца. Отражатель
состоит из зеркал в форме тарелок,
радиально расположенных на ферме.
Диаметры этих зеркал достигают 2
метров, а количество зеркал -
нескольких десятков (в зависимости от
мощности модуля). Такие станции
могут состоять как из одного модуля
(автономные), так и из нескольких
десятков (работа параллельно с
сетью). Астахов С.М.


СЭС, использующие фотобатареи
СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем
случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей)
различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко
применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов
(частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т.д.).
Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и
фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями.
Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная
от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением
небольшого посёлка.


Солнечные элементы, но научному называемые фотоэлектрические элементы
(photovoltaic – PV), преобразуют энергию солнечного света в электрическую. PV
получили свое название от процесса преобразования световой (photons) энергии в
электрическую (voltage), который называется PV эффект.
PV эффект был открыт в 1954 году, когда ученые из Bell Telephone обнаружили, что
кремний (этот элемент – основа обыкновенного песка) создает электрическую
энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали
применять для питания электронной аппаратуры космических спутников и небольших
электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы. Сегодня тысячи
человек питают свои дома и офисы от индивидуальных солнечных PV систем.
Коммунальные предприятия также используют PV технологии на больших
электрических станциях.
Солнечные панели, использующиеся для снабжения электроэнергией частных
домов и офисов, имеют типичную конструкцию, скомбинированную из модулей,
каждый из которых содержит порядка 40 элементов. Для электропитания дома
обычно используется от 10 до 20 солнечных панелей. Панели монтируются под
фиксированным углом лицом к югу, или же устанавливаются на поворачивающемся
устройстве, следящем за положением солнца. Это позволяет максимально
использовать энергию солнечного света. Много солнечных панелей, соединенных
вместе, создают одну систему, называемую солнечный массив. Для большей
производительности или индустриального применения сотни солнечных массивов
соединяются в большую PV систему.


Конструкции и материалы солнечных элементов

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс
технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на
такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и
поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы
монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году.
Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического.
Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н
толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме
того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного
кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки,
необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с
поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н
производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые
стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.
Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% –
несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено,
что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического
потолка – 16 %.


Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания
высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его
особенностями:
- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой
толщиной всего в несколько микрон;
- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает
этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических
аппаратах;
- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
- характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием
дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании
солнечных элементов.
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон
возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из
нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой
точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных
элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный
элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.
Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления
производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках;
выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного
использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной
энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у
диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого
материала. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна
солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения
прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Один из основных способов
получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и
SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и
pH>>1,2–2,0.
Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У
него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая
способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в
изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы
CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.
Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с
CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и
просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое
сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она
решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают
высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе –
высокими значениями КПД, от 10 до 16%.


СЭС, использующие параболические концентраторы
Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до
параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.
Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается
параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы
устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло).
Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных
аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на
турбогенератор.



Комбинированные СЭС
Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают
теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется
как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В
этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории
возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже
считается комбинированной СЭС.



10 крупнейших солнечных электростанций мира

1. Olmedilla de Alarcón
(Ольмендилья-де-Аларкон),
60 МВт
В сентябре 2008 года было
завершено строительство этой
солнечной электростанции,
расположенной в испанском
муниципалитете Ольмедилья-
де-Аларкон.
Пиковая мощность электростанции Olmedilla достигает 60 МВт. Этой мощности
достаточно, чтобы снабжать электроэнергией 20 тысяч домовладений.
2. Puertollano (Пуэртояно), 50 МВт
Станция Пуэртояно находится в одноименном муниципалитете в Испании. Она
считается одной из крупнейших в мире солнечных электростанций: ее пиковая
мощность равна 50 МВт. Строительство Пуэртояно было завершено в 2008 году.
3. Moura (Мора), 46 МВт
Район Амарележа находится в муниципалитете Мора в Португалии. Здесь построена
крупная солнечная электростанция, которая приступила к работе весной 2008 года.
262 тыс. солнечных батарей обеспечивают станции Мора пиковую мощность в 46 МВт.


4. Waldpolenz, 40 МВт
С 2008 года в Германии
функционируется
солнечная станция
Waldpolenz. Она
находится в Саксонии, в
районе городов Брандис
и Бенневиц.
Пиковая мощность этой станции составляет 40 МВт, благодаря чему она входит в
число крупнейших солнечных электростанций мира.
5. Arnedo (Арнедо), 34 МВт
В испанской провинции Риоха расположен муниципалитет Арнедо, на территории
которого находится крупная солнечная станция. Ее строительство было завершено в
2008 году, и в настоящее время пиковая мощность этой электростанции составляет 34
МВт.
6. Osa de la Vega (Оса де ла Вега), 30 МВт
Это еще одна испанская солнечная электростанция. Она находится на территории
испанского муниципалитета Оса де ла Вега. В настоящий момент на станции ведется
строительство. Пиковая мощность Оса де ла Вега составляет 30 МВт.


7. Trujillo (Трухильо), 30 МВт
В испанском муниципалитете Трухильо, входящим в провинцию Карерас,
расположена солнечная электростанция La Magascona & La Magasquila. Ее пиковая
мощность достигает 30 МВт.
8. Don Alvaro/Merida
(Дон Альваро/Мерида),
30 МВт
В сентябре 2008 года в
испанском городе
Мерида было завершено
строительство солнечной
электростанции «Дон
Альваро». Ее пиковая
мощность равна 30 МВт.

9. Casas de Los Pinos (Касас-де-лос-Пинос), 28 МВт
В испанском муниципалитете Касас-де-лос-Пинос находится одноименная солнечная
электростанция, входящая в число наиболее крупных в мире. Предельная мощность
этой электростанции может достигать 28 МВт.



10. Fuente Álamo de Murcia (Фуэнте-Аламо-де-Мурсия), 26 МВт
В августе 2008 года приступила к работе крупная солнечная электростанция в
испанском муниципалитете Фуэнте-Аламо-де-Мурсия. Ее пиковая мощность равна 26
МВт, что обеспечивает ей место в десятке наиболее мощных солнечных
электростанций мира.

Строящиеся солнечные электростанции
Крупнейшая строящаяся солнечная электростанция находится в местечке Rancho
Cielo в штате Нью-Мексико, США и носит название Rancho Cielo Solar Farm.
Электростанция имеет площадь 2400 гектаров. Ее стоимость составит 840 миллионов
долларов, но ее мощность будет в 10 раз больше, чем у крупнейшей из действующих
сегодня солнечных электростанций: после завершения строительства мощность
Rancho Cielo достигнет 600 МВт. Этого достаточно для энергообеспечения 200 тысяч
домохозяйств — а это город с почти миллионным населением.

Другие крупнейшие строящиеся солнечные электростанции также находятся в США.
Например, Topaz Solar Farm, которую строят в Северной Калифорнии, будет иметь
проектную мощностью 550 МВт, ее создание обойдется в 1 миллиард долларов.



Солнечная электростанция Либерозе площадью 162 гектара
Открытая в Турнов-Прайлак, Германия, солнечная электростанция Либерозе стала
второй по размерам в мире и крупнейшей в Германии. На площади размером более
210 футбольных полей размещены 560,000 солнечных панелей суммарной
мощностью 53 МВт. Несмотря на финансовый кризис, в этот проект было
инвестировано более €160 млн.
Ранее на месте электростанции располагался крупнейший полигон Группы
советских войск в Германии, территория которого многие годы никак не
использовалась из-за сильнейшего экологического загрязнения.
Вот что извлекали из земли при расчистке площадки:



Солнечная электростанция Либерозе


Солнечная электростанция Либерозе

Летом 2010 г. Бавария установила своеобразный рекорд — 10% всей выработанной
в баварских землях электроэнергии было получено от солнечных батарей. Германия
вообще безусловный лидер по уровню потребления солнечной энергии: совокупная
мощность всех солнечных батарей страны — почти 10 ГВт. Для сравнения: во всем
мире к 2010 г. были установлены солнечные батареи мощностью около 23 ГВт.


Первая солнечная электростанция в РФ
В Белгородской области 18 октября 2010 года введена в эксплуатацию первая
солнечная электростанция в РФ. Энергия, вырабатываемая ею, будет поставляться в
общие сети по специальному тарифу — 9 руб. за 1 кВт•ч. Электроэнергия с
ближайшей Курской АЭС обходится в 2,3–4 руб. за 1 кВт•ч, однако с учетом роста
энергопотребления построить солнечную электростанцию и покупать электроэнергию
по высокому тарифу оказалось дешевле, чем строить новые линии электропередачи и
распределительные подстанции. Об этом пишет газета «Коммерсантъ».
Эта ситуация может стать рядовой, сейчас Кремль готовит законопроект о введении
специального «зеленого» тарифа для альтернативной энергетики на федеральном
уровне.
Солнечная электростанция построена на хуторе Крапивенские Дворы Яковлевского
района Белгородской области компанией «Альтэнерго» (заказчик) на территории
ООО «Агро-Белогорье». Генподрядчиком выступало ООО «Промагрострой», одним из
поставщиков оборудования стала петербургская «Корпорация XXII». Система,
вырабатывающая солнечную энергию, состоит из поликристаллических солнечных
батарей и аморфных солнечных панелей. Каждая из них соответствует мощности 50
кВт, а расчетная производительность данной станции — 133,4 тыс. кВт•ч в год.
Аморфные солнечные панели закупались в Европе, а поликристаллические — на
Рязанском заводе металлокерамических приборов (РЗМП). У поликристаллических
солнечных модулей выработка сохраняется на уровне не менее 80% в течение 25
лет, у аморфных — в течение 20 лет.


Солнечная электростанция практически не требует обслуживания, не встает на
ремонт и переоборудование, замена поврежденных или отслуживших солнечных
панелей происходит в текущем режиме. Общая мощность энергостанции составляет
около 100 киловатт, напряжение генерируемого тока – 380 вольт.
РЗМП — единственное на сегодняшний день в РФ предприятие, солнечные панели
которого сертифицированы для продажи в страны ЕС. Конечная цена панели,
произведенной на заводе, составляет порядка $3 за 1 Вт. Для сравнения: стоимость 1
Вт номинальной мощности в ядерной энергетике составляет $3–5, в угольной — более
$3, в газовой — порядка $2. «Стоимость капитальных затрат при строительстве
тепловой электростанции (а на них в РФ производится 69% электроэнергии) — €1,5–
2,5/Вт, стоимость строительства солнечной электростанции при мегаваттных объемах
— €2,5–3,5/Вт. При этом солнечная электростанция практически не требует
обслуживания и уж совсем не расходует топливо, а также не останавливается на
ремонт оборудования.
Пионер отечественной солнечной энергетики собран московскими монтажниками
(ООО «Виэко») из комплектующих, привезенных со всего мира. Часть солнечных
панелей изготовлены в Бангкоке, другая – в Рязани. Причем, они не конкурируют, а
дополняют друг друга. Вьетнамские солнечные элементы произведены из аморфного
кремния, рязанские – из кристаллического. Комбинирование кристаллического и
аморфного кремния позволяет использовать солнечную энергию в любую погоду.



Профиль и опорные конструкции отечественного производства, а электроника
привезена и установлена итальянскими партнерами. Российские компании пока что
не производят ни достойных солнечных модулей, ни профиля, ни проводов.
Стоимость солнечной электростанции в Белгородской области составила 22 млн
руб. Станция была построена за два месяца, электроэнергия, выработанная солнечной
электростанцией, поступает в сеть филиала ОАО «МРСК Центра» — «Белгородэнерго»
и далее распределяется конечным потребителям.
Ожидаемый срок окупаемости проекта составляет чуть более пяти лет — при
цене 9 руб. за 1 кВт•ч, хотя стоимость электроэнергии с ближайшей Курской АЭС
составляет 2,3–4 руб. за 1 кВт•ч. Дело в том, что в Белгородской области всего две
теплоэлектростанции, которые покрывают примерно 10% спроса на электроэнергию:
основные потребности области покрываются Курской и Новоронежской АЭС. С учетом
роста энергопотребления оказалось, что построить солнечную электростанцию и
покупать электроэнергию по 9 руб. за 1 кВт•ч выходит дешевле, чем строить новые
линии электропередачи и распределительные подстанции.
Впрочем, солнечная энергетика в Белгородской области вряд ли бы стала
реальной, если бы не личная заинтересованность в ней губернатора Белгородской
области Евгения Савченко. В рамках региональной программы энергосбережения был
создан бюджетный фонд размером 60 млн руб., из которого по примеру стран ЕС
будет компенсироваться пока еще завышенная стоимость поступающего в общую сеть
электричества, произведенного из альтернативных источников.


Пока солнечная электростанция не может обеспечить энергетическую
независимость всему агрокомплексу. Однако на территории агрокомплекса уже
располагается пять 18-метровых ветряков, общей мощностью 100 кВт, а в
следующем году (после того, как строительство комплекса будет завершено)
планируется возвести биогазовую установку мощностью 2,4 МВт с объемом
выработки электроэнергии 19,6 млн кВт•ч и тепла — 17,2 тыс. гигакалорий. Она будет
работать на отходах мясоперерабатывающего завода «Агро-Белогорье» и нескольких
близлежащих сельхозкомпаний. Сдать проект в эксплуатацию планируется в августе
2011 года. Таким образом, в будущем агрокомплекс будет минимально зависеть от
центральной электросети.



ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на
использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в
атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как
она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является
бурно развивающейся отраслью, так в конце 2008 года общая установленная
мощность всех ветрогенераторов составила 120 гигаватт, увеличившись
вшестеро с 2000 года
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное
нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна:
суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности
под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения
воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию
атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени
связанных друг с другом.
На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми
переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны
пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют
отклонение к западу.


Виды ветров:

Муссон - периодический ветер, несущий большое количество влаги, дующий
зимой с суши на океан, летом - с океана на сушу. Муссоны наблюдаются
главным образом в тропическом поясе.

Пассаты - постоянные ветры, дующие с довольно постоянной силой трех-
четырёх баллов; направление их практически не меняется, лишь слегка
отклоняясь.

Местные ветры:

Бриз - тёплый ветер, дующий с берега на море ночью и с моря на берег днём;
в первом случае называется береговым бризом, а во втором — морским.

Бора - холодный резкий ветер, дующий с гор на побережье или долину.

Фён - лёгкий тёплый ветер, дующий с гор на побережье или долину.



Классификация ветродвигателей по принципу работы
Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса
и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.
Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо
располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения
перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса
параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.
Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной
осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются
на группы:
- карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой,
либо располагаются ребром против ветра;
- роторные ветродвигатели системы Савониуса.
К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу
водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих
ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна
направлению ветра.


Lecture 4

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (7)

Similar to Lecture 4

Similar to Lecture 4 (20)

More from Astakx

More from Astakx (8)

Lecture 4