Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 5.8 - Кривые зависимости коэффициента

использования энергии ветра от коэффициента

быстроходности

1 - лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3- втулка; 4- дисковый тормоз;

5- мультипликатор; 6- гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы

поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10- датчик системы поворота

Рисунок 5.9 - Основные узлы ветроэнергетической

установки с горизонтальной осью вращения

Пример компоновки основных узлов ветроэнергетической

установки с горизонтальной ост вращения показан на рис. 5.9.

Недостатками ВЭУ являются непостоянство

вырабатываемой электроэнергии, что создает определенные

проблемы при их работе на сеть и необходимость использования

аккумуляторов при работе в автономном режиме, а также более

высока», чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт

установленной удельной мощности и меньшее число часов ее

использования.

Однако эти недостатки перекрываются такими качествами

ВЭУ как отсутствие топливной составляющей, неисчерпаемость

первичного источника энергии, низка» стоимость вырабатываемой

111

электроэнергии, возможность полной автоматизации, исклю-

чающей необходимость в обслуживающем персонале, возможность

энергообеспечения автономных объектов, удаленных от

электросетей, модульное исполнение, позволяющее наращивать

установленную мощность по мере необходимости.

6 БОЛЬШАЯ И МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

6.1 Большая гидроэнергетика

Гидроэнергия, под которой обычно понимается энергия

рек, также является возобновляемой и обязана своим

происхождением солнечной энергии. Солнце испаряет воду

морей и океанов, которая потом проливается дождями над всей

территорией земного шара, порождая хорошо известный нам со

школьных времен круговорот воды в природе. Гидроэнергию

человек начал использовать еще в глубокой древности. Но

только в сочетании с производством электроэнергии этот

источник энергии занял заметное место в топливно-

энергетическом балансе мира.

Запасы гидроэнергии в мире исчисляются как энергия,

которая может быть получена, если перегородить плотинами все

крупные реки на Земле. Эти запасы достаточно велики. Они

оцениваются в целом для земного шара примерно в 33000 млрд.

кВт-ч электроэнергии в год (или в 3,810

Вт), что составляет

немногим менее половины всей производимой энергии.

В отличие от солнечной гидроэнергия распределена в мире

очень неравномерно. Из мировых потенциальных запасов

гидроэнергии к настоящему времени используется лишь

немногим более 5%.

Украина располагает около 2% мировых

гидроэнергетических ресурсов - 600 млрд. кВт-ч/год. На рис. 6.1

показаны распределения гидроресурсов по территории

Украины.

112

Рисунок 6.1 – Гидроэнергетический потенциал Украины

Из них считаются технически возможными для использо-

вания около 350 млрд. кВт-ч/год. Сооружение крупных

гидроэлектростанций представляет довольно сложную

инженерную задачу. Тем не менее на великих сибирских реках

сооружены самые мощные в мире ГЭС - Красноярская

мощностью 6 млн. кВт и Братская — 4,3 млн. кВт. Еще более

мощной будет строящаяся на Енисее Саяно-Шушенская ГЭС.

Со строительством электростанций связываются планы

коренного преобразования районов расположения ГЭС,

создания на базе ГЭС крупных территориально-промышленных

комплексов, концентрации в них энергоемких производств

(например производства алюминия электролитическим

способом).

Принцип действия ГЭС общеизвестен. Основными

элементами являются плотина, комплекс регулирующих

шлюзов, машзал и др (рис. 6.2).

113

1- водоприемник; 2 – камера турбины; 3 – гидротурбина; 4 –

гидрогенератор; 5 – отсасывающая труба; 6 – электрораспределительное

устройство; 7 – трансформатор; 8, 9 – краны; 10 – донный водосброс.

Рисунок 6.2 - Схема гидроэлектростанции

Важной особенностью ГЭС является то, что она может

работать при переменной нагрузке. Чрезвычайно полезно

объединение ГЭС в одной энергосистеме с базовыми атомными

и тепловыми электростанциями. В этом случае ГЭС покрывает

всю переменную часть графика, давая возможность базовым

станциям работать в номинальном режиме при максимальном

КПД. Уменьшение нагрузки на ГЭС достигается уменьшением

расходов воды через ее турбины. Неизрасходованная вода при

этом остается в верхнем водохранилище электростанции и

позволяет получить дополнительную мощность, когда нагрузка

вновь возрастает.

114

Строительство мощных ГЭС связано с огромным объемом

подготовительных работ по сооружению водохранилищ, плотин,

водосбросов. Такие сооружения стали возможны только в

последние тридцатилетие, когда строители стали располагать

мощной техникой. Но даже и при использовании этой техники

сооружение крупной ГЭС длится многие годы. Обычно ГЭС

является составной частью целого комплекса, включающего

устройства для регулирования стока воды, ирригационные

сооружения, устройства для рыбоводства, курортные зоны.

Создание больших водохранилищ существенным образом

влияет на местный климат, состояние почв и растительности.

Таким образом, несмотря на то, что гидроэнергия

считается «чистой», возможное влияние ГЭС на

окружающую среду должно в каждом конкретном случае

являться предметом пристального изучения.

6.2 Энергетический потенциал малых рек Украины

Согласно международной классификации по нормативам

ООН, к малым гидроэлектростанциям (МГЭС) относят

гидроэлектростанции мощностью от 1 до 30 МВт, к мини-ГЭС -

от 100 до 1000 кВт, к микро-ГЭС - не больше 100 кВт. При

использовании гидропотенциала малых рек Украины можно

достичь значительной экономии топливно-энергетических

ресурсов, причем развитие маленькой гидроэнергетики будет

оказывать содействие децентрализации общей энергетической

системы, чем снимет ряд проблем как в энергоснабжении

отдаленных и труднодоступных районов сельской местности,

так и в управлении гигантскими энергетическими системами;

при этом будет решаться целый комплекс проблем в

экономической, экологической и социальной сферах

жизнедеятельности и хозяйствование в сельской местности, в

том числе и районных центров.

115

областей - источником полного самоэнергообеспечения. Для

решения проблем развития малой гидроэнергетики Украина

имеет достаточный научно-технический потенциал и

значительный опыт в области проектирования и разработки

конструкций гидротурбинного оснащения, исследования

гидроэнергетического потенциала малых рек, решения

водохозяйственных и экологических проблем при строительстве

гидроэлектростанций. Украинские предприятия имеют

необходимый производственный потенциал для создания

отечественного оснащения малых ГЭС. Стандартизованное

оборудование для малых ГЭС производится в широком

диапазоне параметров: мощность - от 2 до 15000 кВт; диаметр

рабочего колеса турбины - от 190 до 3000 мм; частота вращения

- от 50 до 2000 об/мин; напор - от 1 до 1000 м; затраты воды - от

0,01 до 0,75 м

/с.

В Украине насчитывается более 63 тыс. малых рек и

водотоков общей длиной 135,8 тыс.км, из них около 60 тыс.

(95%) очень малы (длина менее 10 км). Их суммарная длина 112

тыс.км, то есть средняя длина такого водотока - 1,9 км.

Большинство малых рек длиной, меньше 10 км, имеют площадь

водозабора от 20,1 до 500 км

(87% общего количества и 72%

всей длины малых рек, протекающих в Украине). Малых рек с

площадью водозабора от 50,1 до 100 км

насчитывается 890

(28% общего количества), а 797 рек (25%) имеют площадь

водозабора 20,1÷50 км

. В таблице 6.1 представлен

гидроэнергетический потенциал малых рек Украины.

Технический гидроэнергетический потенциал малых рек

составляет 0.7 млн. кВт (6,4 млрд. кВт.ч) или 30% от общего

технического потенциала всех рек Украины (21,5 млрд. кВт.ч).

Экономический гидропотенциал малых рек Украины может

быть оценен в размере 1,3÷1,6 млрд. кВт.ч.

В начале 50-х годов количество построенных малых

гидроэлектростанций составляло 956 единиц с общей

мощностью 30000 кВт. Однако в связи с развитием

централизованного электроснабжения в республике и стойкой

тенденцией к концентрации производства электроэнергии на

116

мощных тепло- и гидростанциях, строительство малых ГЭС

было остановлено.

Таблица 6.1 - Гидроэнергетический потенциал малых рек

Украины

№

п/п Области

Общий

потенциал,

млн. кВт·ч.

Технический

потенциал,

млн. кВт·ч.

Целесообразно-

экономический

потенциал, млн.

кВт·ч.

1 Винницкая 238 108 360

2 Волынская 115 76 35

3 Днепропетровская 101 67 30

4 Донецкая 189 125 57

5 Житомирская 336 222 101

6 Закарпатская 4532 2991 1357

7 Запорожская 51 33 15

8 Ивано-Франковская 399 263 120

9 Киевская 200 132 60

10 Кировоградская 170 112 51

11 Луганска 436 288 131

12 Львовская 1814 1197 544

13 Николаевская 157 104 47

14 Одесская 38 25 11

15 Полтавская 396 261 119

16 Ровенская 304 201 91

17 Сумская 298 197 89

18 Тернопольская 427 282 128

19 Харьковская 268 177 80

20 Херсонская 2 2 1

21 Хмельницкая 304 200 91

22 Черкасская 331 219 99

23 Черновицкая 884 583 265

24 Черниговская 178 118 54

25 АР Крым 211 139 63

Всего 12501 8252 3747

На протяжении 1984÷1988-х годов было проведено

обследование технического состояния оборудования и

сооружений существующих малых ГЭС. Анализ этих

материалов показывает, что на момент обследования на

территории Украины сохранилось 150 малых

117

гидроэлектростанций, которые образовывали две группы:

действующие и недействующие (49 единиц и 101 единица

соответственно

Более 75% общей мощности ГЭС размещено на

действующих станциях. Почти 80% этих станций принадлежит

Минэнерго Украины. К ним относятся такие сравнительно

мощные станции, как Теребле-Рикская, Гайворонская, Корсунь-

Шевченковская, Стеблевская, Ладыжинская и др. Техническое

состояние действующих ГЭС характеризуется: значительно или

полностью изношенным основным гидросиловым,

гидротехническим и электротехническим оборудованием;

наличием неисправностей в сооружениях напорного фронта,

которые могут явиться причиной возникновения аварийных

ситуаций; заиливанием водоемов; ростом забора воды на

неэнергетические нужды; размывами креплений водосливных и

береговых участков нижнего бьефа и т.д.

Главным преимуществом малой гидроэнергетики есть

дешевизна электроэнергии, генерированной на

гидроэлектростанциях; отсутствие топливной составной в

процессе получения электроэнергии при внедрении маленьких

гидроэлектростанций дает положительный экономический и

экологический эффект.

7 ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Все вещества при температуре выше абсолютного нуля

имеют определенный запас теплоты, что теоретически дает

возможность использовать ее. К таким веществам в первую

очередь принадлежат воздух, почва, поверхностные и грунтовые

воды. Запасы теплоты окружающей среды настолько большие,

что когда бы все электростанции мира работали на теплоте

мирового океана, то только через 840 лет его температура

снизилась бы на 1 °С. Однако низкий потенциал этой теплоты не

дает возможность применить ее в энергоустановках для

получения работы. Окружающая среда, как известно, в тепловой

схеме энергоустановки является холодным источником теплоты.

118

К основным особенностям теплоты окружающей среды

принадлежат ее огромные запасы, низкий потенциал,

зависимость последней от времени года и суток, низкая

плотность потоков. Эти особенности и предопределяют

направления использования теплоты окружающей среды. Это в

первую очередь отопление жилых и производственных

помещений, получения горячей воды для хозяйственных

бытовых и технологических потребностей. С этой целью

потенциал теплоты окружающей среды повышают в

теплонасосных установках (ТНУ) благодаря работе, которая

подводится извне.

Источниками низкопотенциального тепла на территории

Украины, обеспечивающими энергетически эффективную и

экономически целесообразную работу теплонасосных установок

(ТНУ) являются:

• грунтовая вода, сохраняющая в течение всего года

постоянную температуру на уровне (+8÷ +12)°С;

• подземный грунт на глубине от 2-х до 50 м при

температуре (+10 ÷ +14)°С;

• морская вода с минимальной температурой в зимний

период до (+ 8÷ +10)°С;

• солнечная энергия при использовании в течение всего

года с сезонными и суточными аккумулирование теплоты;

• наружный воздух с температурой в зимний период до (-5÷

-8)°С.

б) низкотемпературные вторичные энергоресурсы:

• сбросные промышленные низкотемпературные стоки и

воздушные выбросы предприятий;

• сточные воды очистных сооружений городов и крупных

населенных пунктов;

• тепло молока на молочно-товарных фермах и др.

источники сельхозпроизводства.

Общедоступным источником низкопотенциальной

теплоты является воздух, широко применяемый в малых ТНУ

119

(квартирных, домовых). Однако низкие значения температуры

воздуха, теплоемкости и коэффициента теплоотдачи не дают

возможность достичь приемлемых показателей энергетической

эффективности больших установок, в частности теплонасосных

станций (ТНС), к испарителям к которым нужно подводить

большие тепловые потоки.

Очень выгодными являются такие установки на больших

незамерзающих водоемах - таких, как Черное и Каспийское

моря в их средней и южной частях. На черноморском побережье

Кавказа уже действуют ТНУ на морской воде, температура

которой зимой в этом районе не опускается ниже 8 °С (рис. 7.1).

Особенно эффективным является круглогодичное

использование теплоты морской воды с температурой летом 20-

25 °С и выше для ТНУ горячего водоснабжения на южных

курортах стран СНГ. Так, например, в восьми приморских

городах, где проживает около 2 млн. человек, можно построить

ТНУ общей тепловой мощностью более чем 3000 МВт с

использованием морской воды в качестве низкопотенциального

источника теплоты.

Из-за сравнительно низкой температуры морской воды

зимой (6÷10)°С среднегодовой коэффициент трансформации

теплоты может быть не более трех. Чтоб повысить

экономическую эффективность ТНУ в южных городах, их

целесообразно летом использовать не только для выработки

теплоты на горячее водоснабжение, но и для выработки холода

для кондиционирования воздуха. Важным фактором является и

то, что кроме морской воды в этих городах есть и другие

источники низкопотенциальной теплоты. Например, в Сочи

действуют водоочистительные сооружения пропускной

способностью 130 тыс. м

воды за сутки. Использование для

ТНУ теплоты этой воды, которая имеет зимой более высокую

температуру, чем морская вода, даст возможность повысить

общую эффективность городских ТНС, если последние

применять летом как холодильные установки.

120