Нетрадиционные источники электроэнергии

                        Нетрадиционные источники  электроэнергии. 

     Введение. О важности использования нетрадиционных  возобновляемых источников энергии в 21 веке вряд ли кого-то надо убеждать. Известно, что основные невозобновляемые   энергоресурсы, раньше или позже, исчерпаются. По прогнозам нефть должна закончиться лет через 40, газ через 80, уран через 80 – 100 лет, угля может хватить еще лет на 400.

     И что еще чрезвычайно важно , у  возобновляемых источников энергии  неоспоримые  преимущества в области  экологии. Некоторые возобновляемые виды энергии уже сегодня стоят не дороже энергии, получаемой за счет использования ископаемого топлива, и практически все они дешевле ядерной энергии.

     «Чистая»  становиться еще более приемлемой в сравнении с энергией, получаемой на базе ископаемого топлива, если в его стоимость включить цену ущерба, наносимого окружающей среде и здоровью людей при его добычи и использовании.

     К возобновляемым источникам энергии, как  известно, относятся: солнечное излучение,  энергия ветра, рек, водотоков, приливов и волн, биомассы, геотермальная энергия, рассеянная тепловая энергия воздуха и воды. Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире оценивается примерно в 20 миллиардов тон условного топлива в год, т. е. в 2 раза превышает годовой объем добычи всех видов органического топлива.

     В настоящее время по данным Международного Энергетического Агентства производство электроэнергии за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии  оценивается более чем в 200 млрд. кВт * ч, что составляет около 5% общего её производства, к 2020 году оно достигнет 13% , к 2060 – 33%.

     Причём, вопреки общепринятому мнению, энергии  солнца, ветра и малых гидростанций может хватить для удовлетворения потребностей всего мира. Каждый год земля получает от Солнца энергии в 100 раз больше, чем её содержится во всех запасах ископаемого топлива.

     Согласно  оценке Агентства по охране окружающей среды США через 20 лет возобновляемые источники энергии смогут удовлетворить 1/3 мировой потребности в энергии  по сравнению с 1/17 частью сегодня. Ещё через 20 лет 2/3 потребности в энергии. Но в этих целях процесс развития нетрадиционной энергетики должен быть существенно ускорен. А для этого нужна воля правительства и энергетиков всех стран и, в первую очередь индустриально развитых.

     В России экономический эффективный  потенциал возобновляемых источников энергии составляет свыше 270 млн. т. условного топлива в год. Причем значительными возобновляемыми  ресурсами располагают большинство  регионов страны, в том числе и  проблемные, с точки зрения энергоснабжения. В настоящее время в России действуют несколько экспериментальных и опытно – промышленных электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы, это около 300 малых ГЭС, десятки небольших ветровых и солнечных установок, вклад которых в энергобалансе страны не превышает 0,1%. Однако, сегодня, как никогда ранее, необходимо более активно развивать энергетику на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Причин к тому много:

     1) это возможность решения проблем обеспечения отдалённых и труднодоступных регионов меньшими силами и средствами;

     2) это необходимость сокращения  объемов дорогостоящего строительства  линий электропередачи, особенно  в труднодоступных и отдаленных  регионах;

     3) это использование электростанций на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии для оптимизации графиков загрузки оборудования на других электростанциях;

     4) это необходимость снижения вредных  выбросов от энергетики в экологически  напряженных регионах. Кроме того, это позволяет финансировать строительство электростанций на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии за счет использования оплаты «квот за выбросы»;

     5) это необходимость увеличения  объемов использования органических  энергоресурсов как сырья в  химической и других отраслях промышленности за счёт снижения их доли на выработку электроэнергии;

     6) это сохранение невозобновляемых  энергоресурсов для наших будущих поколений;

     7) это обеспечение энергетической  безопасности нашей страны.

     Более 70% территории нашей страны, это зона децентрализованного энергоснабжения, на которой постоянно проживает более 10 млн. человек, и туда мы вынуждены завозить топливо с большими трудностями, тратить на его доставку огромные средства, крайне неэффективно использовать его и при этом постоянно иметь проблемы с электроснабжением. Нужда в завозе значительной части топлива в эти районы может отпасть за счёт более широкого использования в этих регионах нетрадиционных энергоустановок.

     Поэтому ускоренное развитее нетрадиционной энергетики на базе возобновляемых источников в этих регионах может стать важным не только экономическим, но и социально-политическим, стабилизирующим фактором.

       Солнечная энергетика. Солнце-источник жизни на нашей планете и основной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Несмотря на то, что самые южные районы России расположены севернее 42 – й параллели.

     В области солнечной энергетики наиболее перспективными признаны фотоэлектрические установки и электростанции с прямым преобразованием солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотобатарей  из моно- (поли-) кристаллического или аморфного кремния.

     Сам фотоэффект был открыт Герцем в 1887г. и детально исследован  А. Г. Столетовым в 1888г. Несмотря на то, что фотоэффект известен уже давно, его практическое использование стало возможным только с применением полупроводников. При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n- типа) и дырочную (р – типа) проводимости, на границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток.

     Хотелось  бы отметить, что на кремневые фотоэлементы действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи, и они могут успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижение температуры.

     В настоящее время в мире наблюдается  настоящий бум производства фотоэлементов  для прямого преобразования солнечной  энергии в электрическую. Ежегодные  темпы их роста в последние 5 лет  составили 30%. В США годовое производство их в 2000г. достигло 60 МВт, в Японии – 80 МВт, в Германии 50 МВт. В Германии успешно реализуется вторая «Программа создания «Солнечных крыш».

     С помощью солнечных фотобатарей  можно создавать установки и  электростанции различной мощности, изменять их мощность путем добавления или снятия модулей. Такие установки отличаются малым расходом  энергии на собственные нужды, просто автоматизируются, безопасны в эксплуатации, надежны и ремонтопригодны. Солнечные фотоэнергетические установки могут работать как автономно, так и на сеть и состоят из солнечной батареи, инвертора, накопителя и системы автоматического управления.

     В НПО «Астрофизика» в 90-х годах  были изготовлены и испытаны в  ОАО «Ставропольэнерго» автономные гелиоэнергетические установки и блочные модульные электростанции мощностью 2.5 и 5 кВт на основе параболических концентратов с металлическими зеркалами диаметром 5 и 7 м и различными преобразователями, оснащенными автоматическими системами слежения за солнцем.

     Так же нужно отметить вниманием башенные солнечные электростанции разработки которых начались еще в СССР. Эти электростанции целесообразно строить в районах с большим числом солнечных дней в году . Схематический этот проект выглядит так:(рис.94 «Мир ищет энергию» Ю. Тёльдеши Ю. Лесны; рис. 12 «Малая энергетика России») размещенные на большой площади регулируемые плоские зеркала улавливают солнечные лучи и концентрируют их, направляя на паровой котел, установленный на вершине башни. При высоте башни 200-300 метров мощность такой электростанции может достигать 100 МВт. Но нужно так же отметить, что у таких установках есть существенные недостатки, например большая занимаемая площадь и сильная зависимость от погодных условий, что определяет возможное расположение этих установок только в местах с подходящим климатом и пространством.

     Солнечные коллекторы, производство которых в стране составляет в настоящее время 10-20 тыс. м^2 в год, применяются для автономного теплоснабжения в южных регионах России – в Краснодарском и Ставропольском краях, Республике Дагестан, Ростовской области. В Краснодарском крае эксплуатируются гелиоустановки горячего водоснабжения: в санатории им. Фрунзе(г.Сочи) установлено 92 коллектора площадью 198,7 м^2 (92/198,7), на котельной в г.Тимашевске-340/326, на городском рынке в г.Краснодаре-102/220, в локомотивном депо в г.Тихорецке-120/96, в издательстве «Советская Кубань»-432/260 соответственно.

     На  юге Франции, в департаменте Восточные  Пиренеи, есть пустынная возвышенность  Сердань. Там, лишь изредка встречаются человеческие постройки, но возле селения Одейо, всего в нескольких метрах от старинной деревенской церкви взору открывается блистающий объект поистине фантастической красоты – это крупнейшая в мире «солнечная печь», построенная под руководством физикохимика Феликса Тромба. Параболическое зеркало высотой 50 метров, составляющее северную стену установки, различные зеркальные элементы, отражающиеся солнечные лучи и сверкание вокруг, как и само гигантское сооружение в виде амфитеатра на высоте 1800 метров над уровнем моря, производят сказочное впечатление на любого, кому доведется побывать в этих местах. Большое вогнутое зеркало имеет площадь 2500 м^2, а общая поверхность рефлекторов составляет 3000 м^2.Система из 63 подвижных плоских зеркал площадью 45 м^2 каждое, размещенных на склоне и повернутых к солнцу, направляет солнечные лучи на большое параболическое зеркало. Лучи собираются в фокусе зеркала, в здании, отстоящем на 18 м. Горячая фокальная зона имеет диаметр около 40 см, и максимальная мощность здесь достигает 1100 кВт, а температура 3800 С. Никакой метал или минералы неспособны выдержать такой температуры; сила концентрированной солнечной энергии достаточна, чтобы расплавить любое вещество. А совсем рядом с фокусом температура практический не изменяется. (рис.89-91 «Мир ищет энергию» Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны).

     Сегодня наиболее перспективным является создание солнечных комплексных установок  теплоснабжения и горячего водоснабжения для индивидуальных потребителей, так как даже в средней полосе России 1 м^2 солнечного коллектора экономит до 100-150 кг условного топлива в год. (Такие солнечные установки показаны на рис.10-11 «Малая энергетика России» А. Ф. Дьяков).

     В ближайшие годы намечается построить 391 гелиоустановку горячего водоснабжения  общей мощностью свыше 10 Гкал/ч для жилых домов и четыре солнечные станции с дублирующими котлами на соломе общей мощностью 1,5 Гкал/ч для крупных посёлков Ростовской обл. В Республике Дагестан будут сооружены три солнечные водонагревательные установки для больниц и установка солнечно – теплонасосного теплоснабжения поселка.

       Хотелось бы отметить, что для  ускорения развития солнечной  энергетики было бы целесообразно  объединить усилие заинтересованных  предприятий  и организаций  и разработать программу производства  эффективных  солнечных элементов, например из монокристаллического кремния с КПД 18-20% и из аморфного кремния с КПД 13- 15%. 
 
 

     Ветроэнергетика. Мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, они постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяснить многие явления. Наблюдением за ветрами занимались ещё в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. В Афинах около 100 л. до н.э. построили так называемую башню ветров с укрепленной на ней «розой ветров» (В современной метеорологии «розой ветров» называют график, который показывает распределение направлений или скоростей ветра в данной местности). Мы никогда бы не знали ветра, если температура и давление атмосферного воздуха всегда бы были одинаковы во всех точках земли, так как именно из–за перепада давления воздуха возникает такое природное явление, как ветер. Что бы его охарактеризовать, нужно указать его направление и скорость (силу), которая по шкале Бофорта (стр.157 «Мир ищет энергию») измеряется в баллах.

     Люди  давно задумывались над тем, как  использовать эту силу – нередко  разрушительную – для своих нужд, как сделать её источником полезной энергии. Ведь ветропотенциал только России оценивается в 40 млрд. кВт * ч электроэнергии в год, т. е. около 20000 МВт ( рис. 13 «Малая энергетика России» ).

     Энергию горизонтально перемещающихся воздушных  масс люди научились использовать «в промышленных масштабах» еще в древние времена: они заставили ветер двигать лодки и корабли, переправлять по морю людей и грузы и не захотели на этом остановиться. Прогресс брал свое, и с каждым годом рождались новые идеи и изобретения, где основным источником энергии был ветер.