Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

101

Перспективными могут быть следующие фотоэлектрические установки:

• солнечные батареи с пиковой мощностью 3 кВт, сооружаемые на крыше

зданий для энергоснабжения автономных объектов;

• установки мощностью 100-500 кВт, устанавливаемые на открытых

пространствах;

• комбинированные установки мощностью 4-40 кВт с аккумулятором,

работающие параллельно с дизельным или газовым генератором.

9.2. Ветроэнергетика

Энергия ветра человеком используется с давних времен для производства

механической работы – помола зерна, поднятия воды, передвижения парусных

судов. В Беларуси в 50-х годах эксплуатировалось около 500

ветроэнергетических установок (ВЭУ) [49], которые после полной

электрификации страны и выработки ресурса были демонтированы. В настоящее

время утилизация ветровой энергии по-прежнему представляет большой

интерес, ввиду ограниченности собственных ископаемых энергоресурсов.

Прежде чем использовать ветер в качестве источника энергии,

необходимо знать, каким потенциалом он обладает. Этот потенциал зависит от

скорости и от высоты над уровнем земли, а также определяется географическим

положением предполагаемых мест размещения ВЭУ. Вблизи земной

поверхности на воздушные ветровые потоки оказывает влияние шероховатость

подстилающей поверхности, где скорость ветра затухает до нуля. С ростом

высоты скорость ветра изменяется по экспоненциальному закону. При этом

подстилающая поверхность оказывает существенное влияние на распределение

скорости. Если поверхность занята строениями, лесом, то скорость ветра на

одной и той же высоте будет меньше, чем над открытой поверхностью.

Открытые пространства располагают большими скоростями ветра, особенно в

прибрежной зоне морей и океанов.

Наибольшее число данных о скорости ветра накоплено на высоте

флюгера, равной 10м. Для Беларуси, по данным многолетних наблюдений,

среднегодовые скорости ветра составляют от 3,0 до 4,1 м/с, а среднемесячная

максимальная - до 4,9 м/с [46]. Максимальные среднемесячные скорости ветра

достигаются зимой, а минимальные  летом. В соответствии с другими

источниками [9], среднегодовая скорость ветра в отдельных регионах Беларуси

предполагается более высокой и может составлять более 5 м/с. Скорость ветра в

целом зависит как от времени года, так и от времени суток (рис.9.9). Для

принятия решения об использовании энергии ветра необходим тщательный

анализ о располагаемом ею потенциале.

Уровень мощности набегающего потока можно оценить по формуле

102

, Вт, (9.3)

где А –площадь, ометаемая ветроколесом, м

; ρ и w – плотность и скорость

набегающего воздуха, кг/м

и м/с.

Рис.9.9. Изменение скорости ветра по срокам исходя из данных многолетних

наблюдений метеостации г.Минска

Часть энергии ветра теряется в преобразующем устройстве ВЭУ на

преодоление трения, а другая часть расходуется на то, чтобы ветровой поток мог

покинуть установку. В таком случае реальная мощность ВЭУ будет равна

NCN =

, (9.4)

где С

– коэффициент мощности. В соответствии с критерием Бетца,

максимальное значение С

может составлять 0,59. В лучших ВЭУ коэффициент

мощности достигает 0,4.

Основным элементом ВЭУ, преобразующим энергию ветра в

механическую работу, является ветроколесо. Они различаются по

конструктивным признакам и по направлению оси к потоку ветра. Производятся

ВЭУ с ветроколесами, у которых оси располагаются горизонтально или

вертикально, соответственно параллельно и перпендикулярно потоку ветра.

Вращение ветроколес с горизонтальной осью осуществляется за счет подъемной

силы, а с вертикальной осью  за счет силы сопротивления. Основные типы

ветроколес показаны на рис.9.10 [3]. Чем больше площадь заполнения

ветроколеса, тем при меньших начальных скоростях оно может работать.

Неплохо себя зарекомендовали гибридные ветроколеса. Один из видов такого

колеса испытывается в Беларуси. Схематично оно показано на рис.9.10. В

данном случае в качестве лопастей используются вращающиеся цилиндры,

работа которых основана на эффекте Магнуса. Эффект Магнуса проявляется в

2 4 6 8 1012141618202224

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

январь

апрель

июль

октябрь

Скорость ветра, м/с

Часы суток

103

том, что если поперечный поток воздуха обтекает вращающийся цилиндр, то

возникает подъемная сила. Обычно ветроколеса располагают на высоте 5-50 м.

Рис.9.10. Схемы ветроколес с горизонтальной (а) и вертикальной (б) осью: 1 -

однолопастное; 2 - двухлопастное; 3 - трехлопастное; 4 - многолопастное; 5 - чашечный

анемометр; 6 - ротор Савониуса; 7 - ротор Дарье; 8 - ветроколесо с использованием

эффекта Магнуса

Учитывая географические и климатические особенности, ветроэнергетику

в Беларуси, согласно классификации работы [50], можно отнести к частично

перспективному направлению. В соответствии с этой классификацией, регионы

республики с постоянной удельной мощностью ветрового потока выше

150 Вт/м

, перспективные для ветроэнергетики, составляют небольшую долю от

общей площади. В основном страна не обладает высоким потенциалом

скоростей ветра, которого было бы достаточно для развития мощных

ветроэлектростанций (ВЭС). Хотя такие возможности не исключаются в

перспективе с использованием ВЭУ нового поколения. В республике может

быть перспективной ветроэнергетика с номинальной мощностью ветроагрегатов

до 50 кВт для автономных потребителей в сельской местности, удаленных от

основных энергоисточников. Такие ВЭУ могут быть использованы по всей

территории Беларуси со среднегодовой скоростью ветра ниже 4,5 м/с.

В связи с периодичностью и непостоянством ветровых потоков может

быть реализовано несколько режимов работы ВЭУ. Наибольший интерес

представляют ветроэлектрические станции, которые могут быть подключены к

электрической сети, что обеспечивает стабильность энергоснабжения. В случае

излишней выработки энергия передается в сеть, а при ее недостатке 

заимствуется из электрической сети. При этом ведется обязательный учет

потоков энергии. Автономные ВЭС могут быть снабжены резервными

а)

б)

104

дизельными генераторами и аккумуляторами. Аккумуляторы могут быть как

электрические, так и тепловые. В последнем случае отпадает необходимость в

поддержании нормированной частоты электрического тока. Все эти меры

позволяют обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей и

рационально использовать генерируемую энергию ВЭС.

Широкое применение находят также ветронасосные установки. Для

подъема воды лучше использовать поршневые насосы, так как привод от ВЭУ

обеспечивает низкую частоту вращения. Вода в основном используется для

полива и водоснабжения скотных дворов. Энергозатраты в сельском хозяйстве

на водоподъем и орошение составляют не менее 10% от общего потребления

энергии. Ветронасосные установки при благоприятных ветровых условиях не

только обеспечивают текущие потребности потребителей, но и накапливают

воду для ее использования в случае снижения мощности или прекращения

работы ВЭУ.

Ветровая энергия может непосредственно быть преобразована в тепло.

Эффективность превращения механической энергии ветра в тепло в процессе ее

диссипации составляет 100%. Однако турбулизирующие ветроустановки для

получения тепла непосредственно путем преобразования механической работы

на самой установке создают повышенный шум. Выгодней для этих целей

использовать теплонасосные установки.

Сдерживающим фактором внедрения ВЭУ является более высокая

себестоимость вырабатываемой энергии по сравнению с традиционными

способами. Постепенно эта разница сокращается.

Во многих странах (Дании, Англии, Германии, США, Канаде и других) с

благоприятными ветровыми условиями, когда скорость ветра составляет не

менее 8м/с, эксплуатируются ветроэлектростанции мощностью 100-200 кВт. В

мировой практике есть положительный опыт работы ВЭС мощностью 300-

1500 кВт с ветроколесами диаметром 40-60м.

9.3. Гидроэнергетика

Гидроэнергетика использует запасенную потенциальную энергию,

которая преобразуется в механическую или электрическую. Потенциал

гидроресурсов определяется объемным расходом потока Q (м

/с) и высотой

падения потока или напором Н (м). Тогда максимальная мощность (Вт),

развиваемая потоком без учета потерь напора, равна

,gHQP

ρ=

(9.5)

где g - ускорение силы тяжести, м/с

; ρ - плотность, кг/м

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую

проводится на гидроэлектростанциях (ГЭС). Для стабильной работы ГЭС

105

требуется водохранилище, служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с

этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к

рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и

создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными

затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость

оборудования ГЭС. Однако в дальнейшем удельная стоимость электроэнергии,

генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с другими

источниками.

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются

гидротурбины. Различают активные и реактивные гидротурбины. В активной

турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Схема

работы активной турбины и ГЭС на ее основе дана на рис.9.11. Дополнительные

устройства, обеспечивающие работу турбины,  водовод и сопло. Из сопла

выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на

лопасти турбины. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во

вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод

сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50% до 90%. В

гидротурбинах малой мощности КПД ниже. Максимальное значение КПД,

равное 100%, может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с

лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы

тяжести. КПД активной гидротурбины может быть повышено за счет

ограниченного увеличения числа сопел.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в

поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины (рис.9.11б).

Вращение колеса осуществляется за счет разности давлений потока на входе и

выходе. Вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим

колесом и камерой переменный. После взаимодействия потока с колесом он

разворачивается на 90

. Переменный зазор и поворот потока повышают

эффективность турбины.

Полный КПД гидроэлектроэнергетической установки определяется

потерями в водоводе и в каналах, турбине и генераторе. Рабочий напор равен

,HHH

fta

−=

(9.6)

где Н

- полный напор; Н

- потери на трение в водоводах и каналах.

Рекомендуется, чтобы Н

≤Н

/3.

В общем случае полный КПД гидроэлектростанции равен

эм

ηη==η

(9.7)

где Р

– мощность, снимаемая с клемм электрогенератора; η

- механический

КПД турбины; η

- электрический КПД генератора.

106

Рис.9.11. Схемы активной гидротурбины (а), реактивной гидротурбины (б) и

гидроэлектростанции (в): 1 – вход; 2 – спиральная камера; 3 – неподвижные лопатки

направляющего аппарата; 4 – выход; 5 – вращающиеся лопатки; 6 – электрогенератор;

7 – приводной ремень; 8 – гидротурбина; 9 – сопло; 10 – вентиль; 11 – водовод; 12 –

плотина; 13 – решетка

Ранее в Беларуси действовало 170 ГЭС. После завершения

электрофикации всех регионов за счет централизованного электроснабжения

они были законсервированы. В настоящее время их оборудование требует

полного обновления. Сейчас в Беларуси работают Чигиринская и Осиповичская

ГЭС с установленной мощностью 3,7 МВт и восстановленная в 90-х годах сеть

малых ГЭС общей мощностью 2 МВт. Мощность всех действующих ГЭС

составляет приблизительно 1% от возможного для технического использования

гидропотенциала, который равен 30% от мощности 850 МВт, учитываемых

водотоков Беларуси. Наиболее значительный объем электроэнергии может быть

получен при строительстве каскада ГЭС на многоводных реках Западная Двина

и Неман. В перспективе на притоках этих рек и рек Вилия, Днестр, Припять,

Западный Буг может быть построено несколько десятков мелких ГЭС с

суммарной мощностью 50МВт. Однако для окончательного решения о

развертывании малой гидроэнергетики необходимо технико-экономическое

обоснование с учетом экологических последствий после строительства новых

ГЭС.

107

9.4. Биотопливо

Основой биотоплива является биомасса. Биомасса  это все то, из чего

состоят растения и животные. Растительная биомасса образуется под действием

световых и темновых реакций с участием физических и биохимических

процессов и лучистого потока энергии Солнца. В основе этих комплексных

процессов лежит фотосинтез  образование органических веществ и

аккумулирование химической энергии. Под действием реакций с участием света

образуется О

, а под действием темновых реакций СО

восстанавливается до

углеводов, белков и жиров. Живые организмы, употребляющие в пищу растения

непосредственно или косвенно, также участвуют в глобальном фотосинтезе.

Энергию, саккумулированную в процессе фотосинтеза растениями и

животными, можно использовать для получения тепла при прямом сжигании

биомассы или биомассу преобразовывать в другие виды топлива с дальнейшим

его сжиганием.

В качестве биотоплива могут использоваться разнообразные виды

биомассы. Основные виды биотоплива даны в табл.9.2. В большинстве случаев

происхождение биотоплива обусловлено отходами основного производства в

лесной и деревообрабатывающей промышленности, агропромышленном

комплексе, городском хозяйстве. В специальных случаях быстрорастущая

биомасса специально выращивается для производства энергии. Например, в

Беларуси для исследования эффективности использования биотоплива с целью

получения энергии выращивается шведская ива.

Таблица 9.2

Виды и происхождение биомассы

Вид биотоплива Происхождение

Лесосечные отходы и древесная

щепа

Обычное лесное хозяйство, прореживание и

прорубка леса с помощью электропил.

Отходы деревообрабатывающей промышленности

Древесные цилиндрические

бруски, опилки и стружка

Лесоперерабатывающая промышленность

Солома Остатки сельскохозяйственного производства

Остатки процессов очистки Отходы мукомольных заводов и солодовых цехов

Все сельскохозяйственные

культуры

Выращивание биомассы с целью получения из нее

топлива

Навоз, фекалии Отходы животноводческих ферм и скотобоен,

городские стоки

Биотопливо, как и другие виды топлива, характеризуются химическим

составом и теплотой сгорания. Если сравнить древесину и солому, то высшая

108

теплота сгорания больше у древесины, но с учетом влажности низшая теплота

сгорания у соломы выше. Важной характеристикой биотоплива является также

влажность, которая определяет эффективность процесса горения. С ростом

влажности температура пламени уменьшается. Например, влагосодержание

древесной щепы колеблется в пределах от 20 до 60%. При более высокой

влажности возникают проблемы сжигания щепы. Этот вид топлива подходит для

сжигания в топках с плотным и кипящим слоем. Для соломы по датским

стандартам [51] допускается влагосодержание не более 20%.

В древесной щепе и соломе могут содержаться посторонние включения в

виде галечника, почвы, абразивной пыли, что необходимо учитывать при их

сжигании.

С целью получения энергии биомасса может использоваться для прямого

сжигания или подвергаться переработке с целью получения производных

твердых, жидких или газообразных топлив. Кроме того, возможны и другие

процессы для производства биотоплива из биомассы, которые показаны на

рис.9.12 [3]. При пиролизе, когда сгорание твердого топлива проводится при

пониженном содержании окислителя, получаются жидкие, газообразные и

твердые топлива (рис.9.13). В случае максимального выхода газа такой процесс

называется газификацией. При проведении пиролиза сырьем служит древесина,

отходы биомассы, городской мусор. КПД пиролиза может достигать 80-90% и

определяется отношением теплоты сгорания производного топлива к теплоте

сгорания используемой биомассы.

Рис.9.12. Процесс производства и использования биомассы

Кислород

Фотосинтез

Производство

биомассы с

аккумулированием

энергии

Термо-

химические

методы

Газы,

жидкости,

масла,

древесный

уголь

Агро-

химические

методы

Сжигание

топлива

Пиролиз

Газификация

Спиртовое

брожение

Анаэробное

разложение

Экстракция

топлива

Этанол

Биогаз,

метан

Жидкости,

масла

Повторное

использование

органического

гумуса и

питательных

солей

Био-

химические

методы

Отходы

109

Рис.9.13. Установка для пиролиза

Биохимические процессы получения биотоплива включают спиртовую

ферментацию сельскохозяйственных культур или целлюлозы, в результате

которой получают этиловый спирт. Этанол используется в качестве топлива в

двигателях внутреннего сгорания. Он обеспечивает двигателям увеличение

мощности на 20% по сравнению с чисто бензиновым. Применяется в чистом

виде с 95%-ной концентрацией или в смеси с бензином в пропорции 1:10.

Теплота сгорания этанола составляет 24 МДж/м

Методом анаэробного сбраживания можно получать биогаз. Процесс

проводится при отсутствии кислорода и температуре, превышающей

температуру окружающей среды. Схема получения биогаза дана на рис.9.14.

Основными горючими компонентами биогаза являются в основном метан и

окись углерода с сероводородом. Кроме этого, выделяется переработанный

остаток, который служит ценным удобрением. В процессе переработки навоз,

городские стоки обеззараживаются, и на выходе количество бактерий в них

уменьшается. Энергия, полученная при сжигании биогаза, достигает от 60 до

90% от исходной, свойственной первичному сырью в сухом состоянии.

Простейшая установка для получения биогаза состоит из двух емкостей  для

загрузки навоза и накопления газа (рис.9.15а). Однако данная система работает

ненадежно и требует тщательного ухода. Промышленные установки (рис.9.15б)

поддерживают оптимальную температуру процесса сбраживания около 30-40

или 50-60

С, соответствующую мезофильному или термофильному режиму, что

позволяет получить максимальный выход биогаза. Выбор уровня температуры

зависит от климатических условий. При значительных затратах энергии на

Сушилка для сырых

с.-х. продуктов

Место для золо-

уловителя

Печи, работающие

параллельно

Отверстия

для подачи

воздуха

Конденсат

Воздух

Газгольдер

Сухой

материал

Уголь

древесный

Тепло для

пищи

Дизель на

биогазе

Механическая

работа

Электро-

энергия

110

поддержание термофильного режима целесообразней проводить процесс в

интервале мезофильных температур. Теплота сгорания биогаза составляет

22,4-26,1 МДж/м

Рис.9.14. Схема получения биогаза методом анаэробного сбраживания

Рис.9.15. Простейший (а) и промышленный (б) биогазогенераторы: 1- приемник; 2 –

клапан; 3 – мешалка; 4 – стекло; 5 – емкость для продуктов переработки; 6 –

газогенератор; 7 – подача газа; 8 – горелка; 9 – теплообменник; 10 – водяной газгольдер

Агрохимические методы получения биотоплива включают экстракцию

(извлечение) топлива из живых или свежесрезанных растений. Например, из

рапса получают масла.

Процесс производства и использования биомассы для получения энергии

носит глобальный циклический характер. Это видно из рис.9.12.

В Беларуси имеются значительные резервы вовлечения биомассы в

производство энергии. Например, технически доступные резервы древесной

массы составляют 12-14 млн.м

/год, что эквивалентно 3,0-3,5 млн. т у.т./год [52].

Замещение топлива, покупаемого за рубежом, местными возобновляемыми

источниками энергии приводит к возрастанию доли местных энергетических

ресурсов в общем энергопотреблении.

Органическое

вещество

Вода

Образование летучих кислот

кислотообразующими бактериями

Образование метана

метанообразующими бактериями

Тепло

Метан,

окись углерода

сероводород

Переработанный

остаток

а)

Фермен-

татор

Газгольдер

Газ