Применение альтернативных источников энергии для теплоэнергетических установок. Использование энергии воды и ветра

 

Введение.

Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня  понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественнонаучного) содержания, оно  имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются  с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны  также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно  получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

Нетрадиционные возобновляемые  источники энергии   включают:         солнечную, ветровую, геотермальную  энергию, и   энергию  Мирового океана.

 

 

 

 Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

• Глобально-экологическая : сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
• Политическая: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;
• Экономическая: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;
• Социальная: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными  ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

 

 

 

• Эволюционно-историческая: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

 

 Энергия солнца.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, - практически  неисчерпаемый источник. Огромная энергия  образуется на Солнце за счет синтеза  легких элементов - водорода и гелия.

В последнее время интерес  к проблеме  использования  солнечной  энергии резко возрос,  и хотя этот источник также относится к  возобновляемым,  внимание, уделяемое  ему во всем мире, заставляет нас  рассмотреть его возможности  отдельно.

Известно два направления  использования солнечной энергии.

Наиболее реальным, находящим  относительно широкое распространение  в таких странах, как Австралия, Израиль, США, Япония, является преобразование солнечной энергии в тепловую и использование в нагревательных системах. Второе направление - системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

Солнечные нагревательные системы  могут выполнять ряд функций:

• подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий;

 

• сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;
• поставку теплоты для работы абсорбционных холодильников;
• опреснение воды в солнечных дистилляторах;
• приготовление пищи;
• привод насосов.

 Потенциальные возможности  энергетики,  основанной на  использовании  непосредственно солнечного излучения,  чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0.0125 %  этого количества энергии Солнца могло бы  обеспечить  все  сегодняшние потребности мировой энергетики,  а использование 0.5 %  - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению,  вряд  ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах.  Одним из наиболее  серьезных  препятствий  такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.  Даже при наилучших  атмосферных условиях  ( южные широты,  чистое небо ) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. По- этому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию,  необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км2 !  Необходимость использовать  коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного  излучения представляет собой зачерненный металлический ( как правило,  алюминиевый )  лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, 

 

поглощенной  коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью  1 км2,  требует примерно 10^4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10^9 тонн.  Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

Солнечная энергетика относится  к наиболее  материалоемким 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. Подсчеты показывают,  что для производства  1  МВт* год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов.  В традиционной энергетике  на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами,  обходится намного дороже,  чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут  на опытных установках и станциях, помогут решить не только  технические, но и экономические проблемы.

солнечной  энергии, которая  просматривается сегодня  – направлять ее для получения вторичных  видов  энергии в солнечных районах  земного  шара. Полученное жидкое или  газообразное  топливо можно будет  перекачивать по трубопроводам или  перевозить танкерами в другие районы.

 

 

Преобразователи солнечной энергии.

Гелиоэнергетика (гелио... [греч. Helios - солнце] - первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам) развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечными батареями в просторечии называют и электрические и нагревательные устройства. Следует подчеркнуть разницу между элементами.

Различают три основных преобразователя  солнечной энергии в электрическую:

Фотоэлектрические преобразователи- ФЭП- полу-проводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).

Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)- солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).

Солнечные коллекторы (СК)- солнечные  нагревательные низкотемпературные установки.

Гелиоэлектростанции.

Гелиоэнергетические программы  приняты более чем в 70 странах - от северной Скандинавии до выжженных  пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для  отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие  устройства используются в различных  технологических процессах.

 

 

Концентраторы солнечного излучения.

С детства многие помнят, что с помощью собирательной  линзы от солнечного света можно  зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются : они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Наиболее эффективно их можно  использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят  применение. Зеркала в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного алюминия.

Наиболее эффективные  концентраторы солнечного излучения  имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоид. концентратора (45град.), близок к 60 град.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей  относительно преобразования солнечной  энергии является использование  фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Солнечный коллектор.

Особенность коллекторов  состоит в том, что лучевоспринимающая

 

поверхность обработана компонентами, которые обеспечивают максимальное тепловосприятие за счет их избирательности  к тепловому спектру солнечного потока и нагревают воду, проходящую по трубкам внутри.

Солнечный водонагреватель-коллектор  состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и  труб. Короб стационарно устанавливается  под углом 30-50 с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

Для нагрева 100 литров воды солнечная установка должна иметь 2- 3 м солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в солнечный день обеспечит нагрев воды до температуры 90°С . В зимний период до 50°С.

Плоский солнечный водонагреватель-коллектор  – устройство с поглощающей панелью  плоской конфигурации и плоской  прозрачной изоляцией для поглощения энергии Солнца.

Это плоская тепловоспринимающая  панель – абсорбер, площадью 1- 2 м , в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу - черная, для лучшего нагрева. Для снижения тепловых потерь она устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Снизу панель теплоизолированна, а сверху защищена прозрачной изоляцией - специальным стеклом, пластиком или пленкой.

В качестве тепловоспринимающей  панели можно использовать любой  металлический или пластмассовый  лист с каналами для теплоносителя.

 

 

Металлические абсорберы  изготавливаются из алюминия или  стали двух типов: лист-труба и  штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели не находят  широкого применения из-за быстрого старения под действием солнечных лучей  и малой теплопроводности.  

Для достижения более высоких  температур теплоносителя поверхность  панели покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое  излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение  в длинноволновой части спектра. Слои создаются на основе «черного никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на меди.

Другим способом улучшения  характеристик плоских  коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (вакуумные солнечные коллекторы четвертого поколения).

Вакуумный солнечный  водонагреватель-коллектор.

В вакуумном водонагревателе-коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечное  излучение, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет практически полностью устранять потери теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120 — 160°С .

Существует несколько  типов вакуумных солнечных водонагревателей-коллекторов.

 

 

Вакуумный солнечный  водонагреватель-коллектор низкого  давления (открытый контур) с термосифонной  системой.

Вакуумный солнечный  водонагреватель-коллектор магистрального давления, термосифон со встроенным теплообменником.

Вакуумный солнечный  водонагреватель-коллектор с выносным баком (СВНУ активного типа, закрытый контур).

Заключение.

Использование энергии возобновляемых (альтернативных) источников (энергии  Солнца, ветра, биомассы, геотермальной  энергии, энергии морей и океанов) является приоритетным. Основные преимущества этих источников - перспектива сохранения запаса энергоресурсов для будущих поколений при минимизации загрязнения атмосферы, энергетическая независимость государств, чья экономика связана с поставкой энергоносителей извне. За тридцать лет практического использования энергии возобновляемых источников ее объем ежегодно увеличивается. Наиболее бурно в мире развивается ветроэнергетика – в среднем около 50 % прироста ежегодно, солнечная энергетика до 33%, геотермальная и водная - более 8%.