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

Подождите немного. Документ загружается.

или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в лис-

те). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения

под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности

не находят широкого применения. Под действием солнечной радиации

тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70…80 °С,

превышающих температуру окружающей среды, что ведет

к возраста-

нию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее соб-

ственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких тем-

ператур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-

селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излу-

чение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в

длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе «черного

никеля», «черного хрома», окиси меди на алюминии, окиси меди на ме-

ди и другие – дорогостоящие (их стоимость часто соизмерима со стои-

мостью самой тепловоспринимающей панели).

Рис. 6.8. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления

с плоскими коллекторами и их автоматическим дренажем при прекращении

циркуляции:

1 – солнечные плоские коллекторы; 2 – расширительный бак; 3 – дополнительный

теплоисточник; 4 – теплообменник; 5 – отопительные приборы;

6, 8 – циркуляционные насосы; 7 – бак-теплоаккумулятор

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных

коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем.

Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффек-

тивности их работы за счет селективных покрытий, повышение про-

зрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы ох-

лаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным

недостатком является необходимость частой очистки стекол от

пыли,

что практически исключает применение коллектора в промышленных

районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, осо-

бенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за

неравномерности расширения освещенных и затемненных участков

стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также

большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и

монтаже. Значительным

недостатком работы систем с коллекторами яв-

ляется также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт

эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части Рос-

сии при высокой доле диффузной радиации (до 50 %) показал невоз-

можность создания круглогодичной автономной системы горячего во-

доснабжения и отопления.

Все гелиосистемы с солнечными коллекторами

в средних широтах

требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и вклю-

чения в систему дополнительного источника энергии (рис. 6.9), что

снижает экономический эффект от их применения.

Рис. 6.9. Жидкостная двухконтурная комбинированная низкотемпературная

система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом

и двумя жидкостными теплоаккумуляторами:

1 – солнечные коллекторы; 2 – воздухосборник; 3 – низкотемпературный жидкост-

ный теплоаккумулятор; 4 – испаритель теплового насоса; 5 – компрессор;

6 – дроссельный вентиль; 7 – высокотемпературный жидкостной теплоаккумуля-

тор; 8 – конденсатор теплового насоса; 9 – дополнительный теплоисточник;

10 – магнитный вентиль; 11 – датчик температуры; 12 – отопительные приборы;

13 –циркуляционный насос

В связи с этим наиболее целесообразно их использование в рай-

онах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже

300 Вт/м

6.7. Паротурбинные СЭС

В 70-е годы XX века Советским Союзом в Крыму и Соединенны-

ми Штатами в Калифорнии построены паротурбинные СЭС, устройство

которых схематически показано на рис. 6.10.

Рис 6.10. Схема СЭС:

1 – гелиостаты; 2 – башня; 3 – солнечный котел; 4 – теплоаккумулятор;

5 – трубопровод острого пара; 6 – трубопровод питательной воды

На башне 2 установлен котел 3, на котором фокусируется солнеч-

ное излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности

зеркалами-гелиостатами. Гелиостаты 1 отслеживают движение Солнца

по небосводу. Зеркала каждого гелиостата площадью в несколько квад-

ратных метров направляют солнечные лучи на стенки теплообменника

котлоагрегата, в котором вырабатывается пар с температурой до 510 °С.

По паропроводу 5

пар направляется в машинный зал, где электроэнер-

гия производится в традиционном паротурбинном цикле. Установка

имеет накопитель теплоты 4 – емкость объемом в несколько тыс. м

, за-

полненную щебнем, который нагревается «острым» паром в часы мак-

симума интенсивности солнечного излучения и отдает теплоту после

захода Солнца.

Для паротурбинных СЭС характерны высокие капитальные затра-

ты, главным образом из-за высокой стоимости автоматизированных

зеркал-гелиостатов. Стоимость 1 киловатта установленной мощности на

башенной СЭС «Солар-1», как и Крымской СЭС, более чем в 10 раз

превышает характерную для традиционных установок. Экономичнее

оказалось другое техническое решение, реализованное в США в 1985

году. Вместо дорогих стеклянных зеркал – гелиостатов здесь использу-

ется пленка с металлическим напылением, натянутая на обручи диамет-

ром 1,5 метра. Создавая под пленкой вакуум, придают ей параболиче

скую форму.

Эти вогнутые зеркала фокусируют солнечное излучение на трубы,

в которых нагревается и испаряется питательная вода паротурбинной

установки. Таким образом, этой СЭС башня с баком-парогенератором

не нужна. Стоимость одного киловатта установленной мощности сни-

жена по сравнению с «Солар-1» в 4 раза, себестоимость киловатт-часа

произведенной энергии приблизилась к характерной

для угольных

станций.

На СЭС «Альмерия» (Испания) в качестве теплоносителя первого

контура парогенератора на вершине солнечной башни используется

жидкий натрий, во втором контуре – обычная вода. В варианте СЭС,

разработанном в Германии, солнечные лучи нагревают до 800 °С сжа-

тый воздух, который приводит в действие газовую турбину. Теплота от-

работавшего в газотурбинной установке

воздуха затем используется в

паротурбинном цикле. В итоге повышается КПД использования тепло-

ты солнечных лучей.

Ряд паротурбинных СЭС различной мощности построен во Фран-

ции и в Италии. Разрабатываются проекты СЭС с замкнутыми газотур-

бинными установками, в которых рабочим телом является гелий. Пара-

метры гелиевого теплоносителя перед турбиной: температура около

600 °С

, давление 0,8 МПа; проектный КПД установок – около 25 %.

Вопросы к главе 6

Классификация солнечных энергетических установок.

Термоэлектрические преобразователи, принцип действия, эффек-

тивность, достоинства и недостатки.

Системы солнечного теплоснабжения, классификация, принцип

действия, достоинства и недостатки.

Перспективы развития транспортных средств использующих сол-

нечную энергию.

Фотоэлектрические преобразователи, принцип действия, эффек-

тивность, достоинства и недостатки.

Концентрирующие гелиоприемники (использование в схемах теп-

лоснабжения).

Схема, принцип действия, достоинства и недостатки паротурбин-

ной СЭС.

Система отопления с солнечными коллекторами.

Использование солнечной энергии в РФ.

10.

Перспективы использования энергии Солнца.

7. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

7.1. Энергия ветра и возможности ее использования

7.1.1. Происхождение ветра, ветровые зоны России

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное

нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неодно-

родна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание

поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вы-

зывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют

общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций,

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. Таким образом, в северном полушарии по-

стоянные ветры приходят с

северо-востока, в южном – с юго-востока,

как показано на схеме рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема общей циркуляции земной атмосферы

Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт

и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и

скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полу-

шария у поверхности земли достигает 6…8 м/с. Эти ветры вблизи боль-

ших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями темпе-

ратуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается

от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над

этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, про-

тивоположном направлению пассатов

. Высота слоя антипассатов меня-

ется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пас-

сатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих облас-

тей приблизительно до 70° на всех высотах дуют ветры между запад-

ным и юго-западным

румбами в северном полушарии и между запад-

ным и северо-западным – в южном полушарии. В этих широтах, кроме

того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движе-

ния, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, пока-

занную на рис. 7.1.

Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной по-

верхности (моря, горы и

т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возника-

ют береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем по-

верхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и

поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух уст-

ремляется на

сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся

над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором

расстоянии от берега опускается вниз.

Таким образом, возникает циркуляция воздуха с направлением

внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воз-

дух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому

направление цирку-

ляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху – с моря на су-

шу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в

сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах дости-

гает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти

в течение всего года,

а в умеренном поясе только летом, при жаркой по-

годе. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и Каспий-

ского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах

больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную

бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного раз-

мера, чем бризы

, называется муссонами. Возникают муссоны по сле-

дующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окру-

жающие его моря и океаны, благодаря этому над континентом образу-

ется пониженное давление, воздух внизу устремляется к континенту от

океанов, а вверху наоборот течёт от континентов к окружающим океа-

нам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты

значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется об-

ласть повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха

направляются от континента к океанам, а

в верхних слоях – наоборот от

океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссона-

ми.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии –

в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-

западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных бере-

гов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые

северо-

западные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские

влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальнево-

сточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отли-

чающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в

данном районе дает все же возможность приближенно судить о целесо-

образности использования ветродвигателя

и об эффективности агрегата.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье

и северная часть Сахалина, отличаются высокой интенсивностью ветро-

вого режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/с.

В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/с), ко-

торые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в

указанной зоне можно

использовать только агрегаты с ветродвигателя-

ми высокой быстроходности (двух-, трехлопастные), прочность которых

рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/с. В Арктике

и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических

станций, работающих совместно с тепловым резервом, а также неболь-

ших ветроэлектрических агрегатов.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне

средней

интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость

ветра составляет от 3,5 до 6 м/с. К этой же зоне относится часть терри-

тории, лежащая юго-восточнее озера Байкал.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и

Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России.

В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/

с, и широ-

кое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендует-

ся.

7.1.2. Перспективы использования энергии ветра

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии

ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек

планеты. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику

на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея.

Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Се-

верного Ледовитого океана. Почему же столь обильный, доступный

, да

и экологически чистый источник энергии так слабо используется?

В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну ты-

сячную мировых потребностей в энергии. Техника 20 века открыла со-

вершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой ста-

ла основной – получение электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуков-

ский разработал теорию ветродвигателя,

на основе которой могли быть

созданы высокопроизводительные установки, способные получать энер-

гию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроаг-

регатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельни-

цы. В новых проектах используются достижения многих отраслей зна-

ния. В наши дни к созданию конструкций ветроколеса привлекаются

специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее

целесо-

образный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе.

Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конст-

рукции современных ветровых установок.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был

парус. Парус и ветродвигатель, кроме одного источника энергии, объе-

диняет один и тот же используемый принцип. Исследования

Ю.С. Крючкова показали, что

парус можно представить в виде ветро-

двигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее

совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полез-

ного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для

движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели

(двигатели карусельного типа см. рис. 7.2), возрождается сейчас, прежде

всего, в наземных установках. В США уже

построены и эксплуатируют-

ся коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из го-

сударственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие по-

требители экологически чистой энергии.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать вет-

родвигатель в качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопа-

стное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в

движение гребные

колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно,

что ветер произвольного направления может двигать судно в любом на-

правлении.

Рис. 7.2. Ветродвигатель карусельного типа

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать вет-

родвигатель в качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопа-

стное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в

движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно,

что ветер произвольного направления может двигать судно в любом на-

правлении.

Первые разработки

теории ветродвигателя относятся к 1918 г.

В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он

начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько

теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не

был обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где

это только

возможно. Первоначально наибольшее распространение вет-

роустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт исполь-

зовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном

«Фраме» («Фрам» [фр. frum вперед] – исследовательское судно Ф. Нан-

сена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках

ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего

века вращалось около 2500 тысяч

ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мель-

ницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались

попытки использовать энергию ветра уже на научной и государствен-

ной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по

тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а

позднее разработан проект агрегата

на 5000 кВт. Но реализовать его не