Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Спектральний розподіл потоку фотонів сонячного випромінювання: 1-

позаатмосферне випромінювання (АМ0); 2 - наземне стандартизоване

випромінювання (АМ1,5); 3 – спектр випромінювання абсолютно чорного

тіла при TC = 5800 К. На вставці заштрихована частка корисно

використовуваних фотонів.

Коефіцієнти пропускання сонячного випромінювання атмосферою з

урахуванням релеєвского розсіювання визначаються виразами:

Розсіювання на молекулах компонентів повітря

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

λ−=τ

−

00389,0exp

Розсіювання частками пилку

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

λ−=τ

−

75,0

0353,0exp

Розсіювання водяною парою

0075,0

−

λ−

=τ

тут р – атмосферний тиск, МПа; d – концентрація пилку, див

-3

; d

= 800 див

-3

наведена концентрація пилку, h

– товщина кулі осадженої води (кількість

водяної парі, що міститься в стовпі повітря над спостерігачем);

= 20 мм

приведень куля осадженої парі води в атмосфері.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 5

Джерела геотермального тепла

Під геотермікою (від грецьких слів «гео» - земля й «термо» - тепло)

розуміється наука, що вивчає тепловий стан земної кори й Землі в цілому,

його залежність від геологічної будови, складу гірських порід, магматичних

процесів і цілого ряду інших факторів.

Критерієм теплового стану земної кулі є поверхневий градієнт

температури, що дозволяє судити про

втрати тепла Землі. Екстраполюючи

градієнт на більші глибини, можна в якомусь ступені оцінити температурний

стан земної кори.

Величина, що відповідає заглибленню в метрах, при якому температура

підвищується на 1° С, називається

геотермічною сходинкою.

У зв'язку зі зміною інтенсивності сонячного випромінювання тепловий

режим перших 1,5-40 м земної кори характеризується добовими й річними

коливаннями. Далі мають місце багаторічні й вікові коливання температури,

які із глибиною поступово загасають. На будь-якій глибині температура

гірських порід (T) приблизно може бути визначена по формулі

T = tв+(H+h)/σ,

де tв - середня

температура повітря даної місцевості; H - глибина, для якої

визначається температура; h - глибина шару постійних річних температур; σ -

геотермічна сходинка.

Середня величина геотермічної сходинки дорівнює 33 м, і з

заглибленням від зони постійної температури на кожні 33 м температура

підвищується на 1 °С. Геотермічні умови надзвичайно різноманітні. Це

пов'язане з геологічною будовою того або іншого

району Землі. Відомі

випадки, коли збільшення температури на 1° С відбувається при заглибленні

на 2-3 м.

Ці аномалії зазвичай перебувають в областях сучасного вулканізму. На

глибині 400-600 м у деяких районах, наприклад Камчатки, температура

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

доходить до 150-200 °С й більше.

Підземні термальні води (гідротерми)

Рідка вода існує тільки до глибин 10-15 км, нижче при температурі

близько 700 °С вода перебуває винятково в газоподібному стані. На глибині

50-60 км при тисках близько 3·10

атм щезає фазова межа, тобто водяний пар

має таку саме густину, що і рідка вода.

У будь-якій точці земної поверхні, на певній глибині, що залежить від

геотермічних особливостей району, залягають шари гірських порід, що

містять термальні води (гідротерми). У зв'язку із цим у земній корі варто

виділяти ще

одну зону, що має умовну назву «гідротермальна оболонка».

Вона простежується повсюдно по всій земній кулі тільки на різній глибині. У

районах сучасного вулканізму гідротермальна оболонка іноді виходить на

поверхню. Тут можна виявити не тільки гарячі джерела й гейзери, але й

парогазові струмені з температурою 180-200° С и вище.

Відповідно до температури теплоносія

всі геотермальні джерела

підрозділяють на епітермальні, мезотермальні й гіпотермальні.

До епітермальних джерел зазвичай відносять джерела гарячої води з

температурою 50-90 °С, розташованих у верхніх шарах осадових порід, куди

проникають ґрунтові води. До мезотермальным джерел відносять джерела з

температурою води 100-200 °С.

У гіпотермальних джерелах температура у верхніх шарах перевищує

200 °С и практично

не залежить від ґрунтових вод.

Походження термальних вод може бути пов'язане з діяльністю

теплових джерел, але найчастіше вода, тим або іншим способом

потрапляючи в шар породи, робить довгий шлях, поки не приходить у

контакт із тепловим потоком або поступово розігрівається, відбираючи тепло

в порід. Рідка фаза води й тепло можуть походити з одного джерела лише в

тому

випадку, якщо таким є магматичний розплав, що остиває. Перегріта

вода у вигляді парових струменів виділяється з розплаву разом з газами й

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

легколетючими компонентами, спрямовуючись у верхні, більше холодні

горизонти. Уже при температурах 425-375 °С пар може конденсуватися в

рідку воду; у ній розчиняється більшість летючих компонентів - так

з'являється гідротермальний розчин «ювенільного» (первозданного) типу.

Під терміном «ювенільні» геологи мають на увазі води, які ніколи раніше не

брали участь у водообороті; такі гідротерми в

буквальному значенні слова є

первинними, новоствореними. Думають, що подібним чином сформувалася

вся поверхнева гідросфера морів і океанів в епоху молодої магматичної

активності планети, коли тільки-тільки зароджувалися тверді консолідовані

«острови» материкових платформ.

Прямою протилежністю «ювенільних» вод є води інфільтраційного

походження. Якщо «ювенільні» води, відокремлюючись від магматичного

розплаву, піднімаються до поверхні

, то переважний рух інфільтраційних вод

- від поверхні вглиб. Джерело вод цього типу являє собою атмосферні опади

або взагалі поверхневі водотоки. По поруватому просторі порід або

тріщинним зонам ці води проникають (інфільтруються) у більше глибокі

горизонти. По шляху руху вони насичуються різними солями, розчиняють

підземні гази, нагріваються, відбираючи тепло у водопровідних

порід.

Залежно від глибини проникнення інфільтраційних вод вони стають

більш-менш нагрітими. При середніх геотермічних умовах для того, щоб

інфільтраційні води стали термальними (тобто з температурою більше 37 °С),

необхідно їхнє занурення на глибину 800-1000 м.

У геотермальній енергетиці можуть бути використані практично всі

види термальних вод: перегріті води - при видобутку електроенергії,

прісні

термальні води - у комунальному теплозабезпеченні, солонуваті води - у

бальнеологічних цілях, розсоли - як промислова сировина.

Запаси й поширення термальних вод

До областей поширення родовищ термальних вод відносяться:

вулканічне кільце басейну Тихого океану, Альпійський складчастий пояс,

рифтові долини континентів, серединно-океанічні хребти, платформні

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

занурення й передгірні крайові прогини.

По своєму походженню родовища термальних вод можна підрозділити

на два типи, що різняться способом переносу теплової енергії.

Перший тип утворюють геотермальні системи конвекційного

походження. Це райони розташування сучасних або нещодавно погаслих

вулканів, де на поверхню виходять не тільки гарячі води, але й пароводяна

суміш із температурою

до 200 °С и більше. На сьогоднішній день всі

геотермальні електростанції працюють у районах сучасного вулканізму:

Каліфорнія; Серро Присто; Мексика, Ідальго; Сан-Сальвадор; Чилі, Атакама;

Ісландія; Араак-Лак; Лардерелло, Монте-Амиата; Угорський басейн; Айдин-

Денизлі; Кавказ; Суматра; Ява; Папуа- Нова Гвінея; Нова Британія; Фіджі,

Нові Гебриди; Вайракей, Вайотапу; Філіппіни; Японія; Росія,

Камчатка.

До родовищ конвекційного типу відносяться також гідротермальні

прояви так званих рифтових зон, що характеризуються активним

тектонічним режимом і помірковано підвищеними геотермічними

градієнтами - 45-70 °С/км. Рифтові зони й пов'язані з ними термоаномалії, як

правило, простираються на величезні відстані. Наприклад, Північно-

Мексиканський басейн термальних вод простягнувся на 1,5 тис. км, від

північно

-східної частини Мексики до Флориди. Одна зі свердловин тут із

глибини 5859 м дає пароводяну суміш із температурою 273 °С, причому цей

флюїд виходить при високому тиску.

Другий тип геотермальних родовищ утвориться при переважному

кондуктивному прогріві підземних вод, зосереджених у глибоких

платформних западинах і передгірних прогинах. Вони розташовуються в

невулканічних районах і

характеризуються нормальним геотермічним

градієнтом - 30-33 °С/км.

Підрахунки запасів термальних вод ґрунтуються на наявних даних про

об'єми гравітаційних вод, що містяться у шарах, об'ємах самих водоносних

горизонтів і колекторських властивостей гірських порід, що їх складають.

Запаси термальних вод являють собою загальну кількість виявлених

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

термальних вод, що перебувають у порах і тріщинах водоносних гори-

парасолів, що мають температуру 40-200° С, мінералізацію до 35 г/л і

глибину залягання до 3,5 тис. м від денної поверхні.

Геотермальну енергію можна добувати на різних глибинах. Можливість

її використання технічно залежить насамперед від конкретних геологічних і

гідрогеологічних умов місцевості. При використанні тепла

поверхневого

шару (глибини до 100 м) знайшли застосування теплові насоси. При

одержанні тепла з більш значних глибин розрізняють два основних способи:

1. Гідротермальний спосіб (глибини від 1.500 до 3.000 м) - гаряча вода,

що добувається, за допомогою теплообмінників нагріває воду мережі

теплопостачання.

2. Спосіб Hot-Dry-Rock ("гарячий сухий камінь") (глибини від 3.000 до

6.000 м). Тут використовується безпосередньо тепло

гарячої гірської породи.

Слово "dry" (сухий) стоїть в назві тільки історично, тому що й на великих

глибинах вода теж зустрічається.

Геотермальні теплові електростанції (ГеоТЕС) використовують як

джерело енергії природні парогідротерми, що залягають на глибині до 5 км.

Геотермальна енергетика розвивається досить інтенсивно в США, на

Філіппінах, у Мексиці, Італії, Японії, Росії. Сама

потужна ГеоТЕС (50 МВт)

побудована в США - ГеоТЕС Хебер.

Запаси геотермальної енергії становлять 200 ГВт. Геотермальні ресурси

розподілені нерівномірно, і основна їхня частина зосереджена в районі

Тихого океану.

У Росії геотермальні джерела економічно розташовані невигідно.

Камчатка, Сахалін і Курильські острова відрізняються слабкою

інфраструктурою, високою сейсмічністю, малонаселеністю, складним

рельєфом місцевості. Загальні запаси цього виду

енергії в Росії оцінюються в

2000 МВт. У цей час у Росії діє Паужетська ГеоТЕС на Камчатці потужністю

11 Мвт.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 6.

Енергетичні ресурси океану. Енергія біомаси

Баланс поновлюваної енергії океану

Основна частка енергії, що надходить у Світовий океан - результат

поглинання їм сонячного випромінювання. Енергія надходить в океан також

у результаті гравітаційної взаємодії космічних тіл і водних мас планети, що

створює припливи, і надходження тепла із глибини планети. Поверхня

Світового океану займає близько 70 % поверхні всієї планети й становить

приблизно 360 млн. км

. Більша частина цієї поверхні постійно вільна від

льоду й добре поглинає сонячне випромінювання. В океанській воді

приблизно 65 % сонячного випромінювання поглинається першим метром

водної товщі й до 90 % - десятиметровим шаром. У денний час у низьких

широтах вода прогрівається приблизно на 10 м і більше за рахунок

процесів теплопровідності й турбулентного перемішування (тверда

поверхня суши прогрівається не більше ніж на 0,5 м).

Запасене океаном тепло частково у вигляді довгохвильового

випромінювання (λ >10 мкм) перевипромінюється, а частково передається в

атмосферу теплопровідним прикордонним шаром і внаслідок

випаровування. Відносна роль цих процесів різна для різних районів

планети, але на широтах від 70° півн.ш. до 70° півд.ш. характеризується

приблизно однаковими значеннями: довгохвильове випромінювання в

атмосферу й космічний простір 41 %; передача тепла атмосфері за рахунок

теплопровідності 5 %; втрати на випаровування 54 %.

За рахунок руху повітряних і водних мас запасена океаном енергія

переноситься по всій планеті, причому в області між екватором і 70° півн. ш.

у середньому 40 % тепла переноситься океанськими течіями, а на 20° півн.

ш. внесок океану в перенесення енергії становить до 74%. Щорічно з

поверхні океану випаровується шар води товщиною

приблизно 1 м (близько

340·10

т) і біля 36·10

т води повертається зі стіканням рік, льодовиків тощо.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Приблизно 2/3 сумарного сонячного випромінювання зазнають в

океані й на поверхні суши різні зміни: перетворюються в тепло 43 %;

витрачаються на випаровування, утворення опадів 22 %; надання енергії

рікам, вітру, хвилям, різним видам течій в океані 0,2 %. Приблизно 0,02 %

всієї енергії сприйнятого сонячного випромінювання йде на утворення

продукції фотосинтезу й частково на утворення викопного палива.

Співробітниками океанографічного інституту Скрипсу (США) виконані

оцінки сумарних і припустимих для переробки потужностей різних

океанічних джерел енергії за п'ять років - з 1977 по 1982 р. Відповідні дані

наведені на діаграмах, на яких відзначені два рівні - сумарний і той, що може

бути перетворений (заштриховане). Більше

пізні оцінки зроблені з

урахуванням цілого ряду технологічних і екологічних факторів. Вони, як

правило, у частині припустимої до використання енергії виявилися нижче.

Розподіл океанських джерел енергії за потужністю (праві стовпці - за

оцінками 1977 р., ліві - за оцінками 1982 р.).

При оцінці можливостей приливної енергетики враховано, що

працювати на повну потужність ПЕС можуть тільки протягом 30 % часу.

Дані по океанських течіях отримані з урахуванням 1 % припустимого

уповільнення швидкості плину.

При оцінці можливостей енергетичного використання продукції

океанського фотосинтезу прийняті в увагу 50 % ефективності перетворення

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

бурих водоростей у метан і можливість розміщення відповідних ферм в 20 %

районів природного апвелінгу. Апвелінг - підйом глибинних вод, багатих

біогенними речовинами, що грають роль добрив.

Для прибережних хвильових генераторів установлені ККД 50 % і час

роботи 40 % річного бюджету часу.

ККД перетворення градієнта солоності прийнятий рівним 3%.

Для вітрових станцій коефіцієнт перетворення енергії вітру прийнятий

рівним 60%, і припустимим рівнем вилучення потужності вважають 1 %

потужності вітрів, що дують на видаленні від берега.

Немаловажні й такі «технологічні» властивості океанських ресурсів

енергії, як щільність енергії й стабільність джерела енергії. Ці властивості

визначають розміри майбутніх перетворювачів, необхідні встановлені

потужності, режими використання енергії.

Океанські ТЕС

ККД перетворення градієнта температур - 5 %, причому в останньому

випадку вважається реальним розмістити перетворювачі на 2 % поверхні

океану в тропічній зоні.

Новітні оцінки ККД градієнта тепла становлять близько 3%.

Температура води біля екватора залишається при температурі 26-31

вдень та вночі на протязі року. Нижче 100 м (шар перемішування)

температура води значно падає до 4

С на глибинах 800-1000 м. Тому океан

має значні запаси холодної та теплої води з перепадом 22-27

С.

Площа океану з різницею температур у 22

С та більше становить 60

млн. км

. Усереднена потужність (добова та річна) сонячного

випромінювання, що абсорбується на одному квадратному кілометрі цього

регіону становить 235 МВт

Реалізація пілотних проектів:

Newport News Shipbuilding Co., Avondale Industries, Inc. та Concrete

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Technology Corporation. Побудували у 1976 146-метрову баржу (the ARCO

barge) за проектом OTEC40-MВт.

Міні ОТЕС, що містила 670-м закриту систему труб та була

протестована у 1978–1979 мала вихід 18 кВт. Програма була профінансована

корпорацією Lockheed Missiles and Space Division.

Уряд Республіки Науру (Океанія) разом із Tokyo Electric Power Co. та

the Toshiba Corporation у 1980 побудували 100-kW OTEC. Працював з жовтня

1981 до липня 1982. Це був перший проект базування на островах. Він був

підключений до електромереж і мав рекордне значення 31,5 кВт.

Енергетичний потенціал океанських течій

Із всіх океанських джерел течії характеризуються найнижчою щільністю

енергії (величина еквівалентного їхньому динамічному тиску стовпа рідини

дорівнює всього 0,05 м при швидкості 1 м/с і тільки 5 м при швидкості 10

м/с). Без урахування труднощів створення й обслуговування гігантських

споруд у товщі океанських вод, необхідних для утилізації їхньої кінетичної

енергії, вони ефективніше, мабуть

, тільки перетворювачів сонячної енергії в

помірних широтах, де з поверхні площею 1 м

можна одержати не більше 100

Вт. З такої ж площі в поперечному перерізі океанської течії, що має

швидкість 1 м/с, можна одержати близько 600 Вт електричної потужності.

Тільки 0,02% сонячної енергії, що надходить у Світовий океан,

перетвориться в ньому в кінетичну енергію течій, але й це досить значна

величина: при потужності 5–7 ТВт вона

становить приблизно 60-10

кВт·год/рік. Приблизно 20% цієї энергії йде на переборення сил тертя, а інше

витрачається на перенос водних мас з одних районів Світового океана у інші.

Якщо взяти за еталон плину із середніми швидкостями порядку 1 м/с, то

можна знайти досить місць для розміщення ОГЕС і у відкритому океані, і

поблизу

берега. Особливо цікавий у цьому плані Атлантичний океан

(Гольфстрім, Північне пасатне, Бенгельське, Гвінейське, Бразильське течії).