Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Подождите немного. Документ загружается.

221

практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в

действие течениями рек.

Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных тече-

ний, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом

следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности

воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.

Плотность мощности потока воды, Вт/м

, равна

(9.3.3)

В случае приливного или речного течения при скорости, напри-

мер, 3 м/с

1000 13500

q =⋅=

Вт/м

. Только часть полной энергии по-

тока может быть преобразована в полезную. Как и для ветра, это значе-

ние не может превышать 60 %. На практике оказывается, что это значе-

ние можно довести максимум до 40 %.

Скорости приливных течений изменяются во времени примерно

как

sin

, (9.3.4)

где

– период естественного прилива, 12 ч 25 мин для полусуточного;

– максимальная скорость течения, м/с.

Таким образом, электрическая мощность, снимаемая с 1 м

пло-

щади поперечного сечения потока (с учетом 40%-й эффективности пре-

образования энергии потока в электрическую), в среднем равняется

0,1qV

≈

. (9.3.5)

При максимальной скорости около 5 м/с, встречающейся в проли-

вах между островами,

14q ≈

кВт/м

. Перекрыв площадь 1000 м

, можно

получить полную среднюю мощность электростанции около 14 МВт.

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобра-

зования энергии приливных течений, один из которых показан на рис.

9.14. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете

на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их

строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими

скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники

энергии еще более дороги.

222

Рис. 9.14. Схема электростанции на приливном течении

Основы теории приливной энергетики достаточно просты. Пред-

положим, что бассейн ПЭС наполняется при высокой воде и опустоша-

ется через турбины при малой воде (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Схема извлечения приливной энергии

Пусть бассейн имеет постоянную площадь

, остающуюся по-

крытой водой при малой воде. Допустим, что поступившая в бассейн

вода имеет массу

, сосредоточенную в центре тяжести на высоте

от уровня малой воды, и что вся вода вытекает из бассейна при ма-

лой воде. Потенциально максимальную энергию от прилива можно по-

лучить, если вся вода падает с высоты

. В этом случае энергия при-

лива

()

EAR

. (9.3.6)

Если энергия преобразуется в течение продолжительности перио-

да прилива, то средняя потенциальная мощность за приливный период

оказывается равной

. (9.3.7)

223

На практике в системе, использующей срабатывание запаса воды

из заполняемого в прилив бассейна, несмотря на достаточно высокую

эффективность преобразования получить максимальную мощность

нельзя. Этому препятствуют следующие обстоятельства.

Генерирование электроэнергии не может быть обеспечено вплоть

до условий малой воды, таким образом, часть потенциальной энергии

прилива не может быть преобразована.

Турбины ПЭС должны

работать при низком напоре и при боль-

ших скоростях потоков – условия необычные для имеющейся обычной

гидроэнергетической практики.

Невозможно равномерно снабжать потребителей электроэнергией

из-за изменения уровня воды в бассейне.

На рис. 9.15 показано, что ПЭС может работать как при опусто-

шении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, ис-

пользующая

реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно

еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бас-

сейне, может перерабатывать до 90 % потенциальной энергии прилива.

9.3.3.2. Использование энергии океанских течений

Механическая мощность, которую можно извлечь из океанского

течения, определяется тем же соотношением, которое используется для

оценки этой величины в ветроэнергетике:

ηρ

= .

(9.3.7)

Коэффициент преобразования энергии, зависящий от типа турби-

ны, для выполнения приближенных расчетов можно принять равным 0,6

для свободно вращающегося рабочего колеса и 0,75 для того же колеса

в насадке. Строительство крупных ветровых турбин (диаметром до

200 м) практически невозможно из-за ограничений, связанных с проч-

ностью материалов и массовыми характеристиками подобных уст-

ройств

. Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограниче-

ния менее существенны из-за действия на элементы конструкций силы

Архимеда. Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, умень-

шить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций,

вызывающих усталостное разрушение материалов.

Важное достоинство океанских течений в качестве источников

энергии по сравнению с ветровыми

потоками – отсутствие резких изме-

нений скорости (сравните с изменениями скорости при порывах ветра,

ураганах и т. п.). При достаточном заглублении в толщу воды турбины

224

ОГЭС надежно защищены от волн и штормов на поверхности. Для эф-

фективного использования течений в энергетике необходимо, чтобы

они обладали определенными характеристиками. В частности, требуют-

ся достаточно высокие скорости потоков, устойчивость по скорости и

направлению, удобная для строительства и обслуживания география дна

и побережья. Удаленность от побережья влечет удорожание транспор-

тировки

энергии и обслуживания этих станций, как, впрочем, и любых

других. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и

обслуживание якорных систем, малые – создают помехи судоходству.

Именно географические факторы не позволяют сейчас говорить о

строительстве ОГЭС в открытом океане, где несут свои воды наиболее

мощные течения. При средних и малых глубинах,

особенно в местах

образования приливных течений, важную роль играет топография дна.

В качестве недостатков преобразователей энергии океанских те-

чений следует отметить необходимость создавать и обслуживать ги-

гантские конструкции в морской воде, подверженность этих конструк-

ций обрастанию и коррозии, трудности передачи энергии.

9.3.3.3. Общая характеристика технических решений

По аналогии с ВЭУ существующие преобразователи энергии те-

чений можно условно разделить на две группы. К первой целесообразно

отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования

скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, ме-

нее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на

других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразова

тели и др.).

Для характеристики схем установки преобразователей можно вы-

делить две основные схемы – сооружений, закрепляемых на морском

дне, и сооружений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.

Родоначальником устройств первой группы по праву считают во-

дяное колесо (рис. 9.16, а). В совершенствовании водяного колеса на-

блюдаются две основные тенденции.

Одна – собственно улучшение по-

казателей колеса (за счет оптимизации конструкции ферм, лопастей,

механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку,

применения современных материалов и т. п.), другая – принципиальное

изменение представлений о колесе.

Ленточное колесо (рис. 9.16, б) оказывается более компактным,

требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосфе-

ры. Подобное устройство может быть

установлено в потоке на понтонах

с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние ос-

225

тавались «сухими». Эффективность преобразования скоростного напора

повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под

воздействием потока. Однако, простое увеличение числа лопастей лен-

точного колеса не приведет к существенному увеличению момента на

валах.

Рис. 9.16. Эволюция водяного колеса:

а – колесо-прототип; б – ленточное колесо на плавучем основании;

в – ленточное колесо в толще потока;

г – ленточное колесо со складными лопастями

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью по-

гружаемые в толщу потоков (рис. 9.16, в, г). Для таких устройств пред-

лагается несколько способов уменьшения сопротивления движению

ленты во время холостого хода. Это и сооружение воздушной камеры

над колесом и применение различных вариантов механизмов складыва-

ния лопастей.

Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработ-

кой преобразователей энергетики океанских течений, связывают с агре-

гатами, с помощью которых могут быть получены значительные еди-

ничные мощности. В качестве вариантов таких устройств рассматрива-

ются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в на-

садке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляемым крылом.

Во всех этих конструкциях, так же как

и у перспективных ветровых

турбин, главный преобразующий элемент – крыловой профиль, обтека-

ние которого потоком создает гидродинамическую силу, заставляющую

турбины вращаться.

226

Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде

рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке. Это объясняется тем,

что такое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как

свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение. Насадок как

бы отделяет возмущенную часть потока от невозмущенной и в то же

время обеспечивает некоторую концентрацию

энергии. Форму насадка

выбирают из такого расчета, чтобы обеспечить плавное безотрывное те-

чение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой на

потоке, максимально снизить завихренность потока на выходе из нее.

Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть

за счет удлинения крыла. По сравнению с ветровыми преобразователя-

ми океанские

турбины в этом плане имеют преимущество: критический

размер крыла, при котором в нем достигается предел прочности мате-

риалов для такой турбины выше. Но есть ограничения и в воде: при

слишком большой длине крыла на смену изгибающим моментам, созда-

ваемым под воздействием силы тяжести, приходят моменты, обуслов-

ленные силой давления потока.

Другое

ограничение диаметра рабочего колеса связано с техноло-

гическими трудностями при постройке и установке столь громоздких

сооружений в океане. Специалисты сходятся во мнении, что диаметр

турбин в насадках вряд ли превысит 200 м (по габаритам подобное со-

оружение напоминает крытый стадион на 20 тысяч зрителей). Накоп-

ленный к настоящему времени опыт строительства эксплуатационных

платформ для добычи нефти и таза водоизмещением в сотни тысяч тонн

показывает, что такие объекты могут быть созданы.

Рассмотрим преобразователи энергии потоков, относящиеся по

нашей классификации ко второй группе, и, прежде всего, устройства

типа объемного насоса. На рис. 9.17 изображена одна из схем такого

устройства, в основе которого – неподвижно закрепленное в потоке

со-

пло Вентури. В пережатом сечении сопла из-за увеличения скорости

жидкости происходит падение статического давления, которое может

быть использовано, например, для засасывания воздуха с поверхности.

В выходном сечении уже сжатый воздух вытесняется из потока в на-

порную камеру, откуда по ступает в воздуховод турбины, соединенной

с электрогенератором. При умеренных

степенях пережатия потока ра-

бота такого устройства может быть описана с помощью уравнения Бер-

нулли. В этом случае перепад давлений, который создается насосом

0,5 1

pp p

ρν

⎡

⎤

⎛⎞

⎢

⎥

∆= − = −

⎜⎟

⎢

⎥

⎝⎠

⎣

⎦

, (9.3.8)

227

где

– отношение площадей входного и минимального сечений кон-

фузора.

Производительность такого насоса зависит от расхода жидкости

через сечение насоса и может быть доведена примерно до 20 % объем-

ного расхода. Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода в

поток подсасываемого газа.

Рис. 9.17. Схема объемного насоса:

1 – профилированный корпус; 2 – шахта воздухозаборника; 3 – воздухосборник;

4 – выхлопная шахта; 5 – воздушная турбина с электрогенератором

Перечень различных вариантов преобразователей можно продол-

жить, но важно отметить, что со временем могут быть открыты как бо-

лее эффективные способы преобразования энергии потоков в океане,

так и новые гидродинамические явления, которые потребуют принци-

пиально новых разработок. Уже сейчас можно обратить внимание на

энергию океанских противотечений, скрытых толщей поверхностных

вод и

часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделен-

ных от поверхностных; энергию различных вихрей, возникающих в от-

крытом океане под воздействием метеорологических возмущений и

крупномасштабной гидродинамической неустойчивости в океанах. Из-

вестны даже постоянно действующие вихри. Один из них находится в

400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представляет собой

водоворот

диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км

почти до самой поверхности. Примечательна одна из особенностей во-

доворота – примерно через каждые 100 дней он изменяет направление

вращения на обратное. По оценкам японских ученых удельные энерге-

тические характеристики этого водоворота значительно выше, чем у ря-

да океанских течений.

228

Вопросы к главе 9

История создания гидроэлектростанций.

Принцип работы гидроэлектростанции, схема, ее мощность и вы-

работка электроэнергии.

Классификация гидроузлов и основные типы зданий ГЭС.

Преимущества и недостатки гидроэлектростанций.

Схема электростанции на приливном течении.

Современное состояние гидроэнергетики в России.

Использование тепловой энергии океана (схемы, принцип дейст-

вия, эффективность, достоинства и недостатки).

Преобразователи энергии волн (схемы, принцип действия, эффек-

тивность, достоинства и недостатки).

Использование энергии приливов и морских течений (схемы,

принцип действия, эффективность, достоинства и недостатки).

10.

Перспективы использования энергии воды в России.

11.

Основные сложности при сооружении установок для использова-

ния энергии воды.

229

10. ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ (ВЭР)

10.1. Понятие ВЭР. Источники ВЭР

В 70-е годы XX века, в связи с резким повышением мировых цен

на нефть, в экономике западных стран и Японии были развернуты актив-

ные работы по энергосбережению и использованию вторичных энергоре-

сурсов. В Советском Союзе в это время, наоборот, развивалась добыча

нефти и газа, в том числе на экспорт, проблемам сбережения энергии уде-

лялось мало внимания. В итоге сформировалось отставание от мирового

уровня по экономии топлива. Энергоемкость продукции народного хозяй-

ства стала намного превышать мировой уровень.

В последние годы XX века затраты энергоресурсов на производ-

ство единицы конечного продукта экономики составляли в России

60 МДж/1 долл. валового национального продукта, в США – 15,2 МДж,

в Японии – 5,5 МДж на производство продукции стоимостью в 1 долл.

Конечно, в России более суровый климат, чем в Японии, и соответственно

больше расход энергоносителей на отопление, но не в 11 раз! И дело не

только в том, что Япония производит много наукоемкой, высокотехноло-

гичной продукции с малым потреблением энергии – электроники, при-

боров, средств связи и автоматики. Но и в металлургии, машиностроении,

химической технологии, производстве строительных материалов в России

расход энергоресурсов в 1,5...2 раза выше, чем в развитых странах. Вы-

сокая энергоемкость, ресурсоемкость характерны для экстенсивного

типа экономики, низкая – для интенсивного типа. Макроэкономические

программы, направленные на увеличение добычи и использование нево-

зобновляемых энергоресурсов, а не на конечный продукт, ведут в тупик.

Сиюминутные выгоды от проедания ресурсов меньше глобального ущерба.

В металлургии, химической технологии, на транспорте, в целлюлоз-

но-бумажной промышленности, строительной индустрии проблемы энер-

госбережения и использования ВЭР решаются специалистами соответст-

вующего профиля. В этом пособии в качестве ВЭР будем понимать тепло-

ту, отработавшую в основном технологическом процессе, но которая мо-

жет быть использована для нужд энергетики – выработки электроэнер-

гии и покрытия отопительной нагрузки. Экономические расчеты показы-

вают, что использование ВЭР, которое приводит к экономии

1 т усл. топл, обходится в 2…4 раза дешевле капитальных затрат на до-

бычу и транспорт равноценного количества топлива в европейской части

РФ.

В качестве основной энергетической характеристики производст-

венного теплового процесса используют его КПД:

230

, (10.1)

где

– использованная,

– затраченная теплота на производство

единицы продукции (например, в МДж/т).

10.2. Использование ВЭР для получения электрической и тепловой

энергии. Способы использования и преобразования ВЭР

10.2.1. Использование теплоты отработавших газов

10.2.1.1.Теплосодержание отработавших газов

Основной составляющей теплового баланса многих тепловых техно-

логических процессов (главным образом огнетехнических) являются поте-

ри с отработавшими газами, %

100

ог

⎛⎞

⋅

⎜⎟

⎝⎠

. (10.2)

Величина

ог

меняется в пределах от 35...40 % при нагреве и тер-

мообработке металла до 65...70 % в высокотемпературных плавильных

процессах.

Целесообразность и эффективность использования ВЭР определяется

тепловой мощностью энергоисточника, непрерывностью выдачи теплоты и

температурным уровнем, т. е. отношением

()/ТТ Т

−

где Т – абсолютная температура теплового отхода,

– абсолютная

температура окружающей среды.

Чем ближе температурный уровень к единице, тем целесообразнее

использование ВЭР. Увеличение тепловой мощности энергоисточника при-

водит к снижению удельных капитальных вложений и эксплуатационных

расходов. Непрерывность выдачи теплового отхода (непрерывность техно-

логического процесса) определяет экономическую эффективность исполь-

зования этого ВЭР. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворя-

ет теплота отработавших газов.

Текущее (на данный момент времени) теплосодержание отрабо-

тавших в техпроцессе газов определяется выражением

см

Vc t

⋅⋅

, кДж/с, (10.3)