Біоенергетика як галузь альтернативної енергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Біоенергетика як галузь альтернативної енергетики

технологія альтернатива використання біоенергетика

Біоенергетика, або енергетика на основі біомаси, посідає досить відокремлене місце серед відновлюваних енергетичних ресурсів. Це пов'язано з певною низкою її особливостей:

На відміну від енергії Сонця та вітру, які нерідко називають «новими» видами енергії, спалювання біомаси (дров, торфу) для обігріву та приготування їжі -- одне з найстаріших джерел отримання енергії людиною. Отже, даний вид енергоресурсу зовсім не новий. Однак альтернативним є процес отримання енергії та раціоналізація методів використання даного енергоресурсу.

Значну кількість ресурсів, що сьогодні вважають одними з найперспективніших щодо застосування у біоенергетиці, складають відходи різних видів людської діяльності. Такі енергетичні ресурси спеціалісти називають «активно чистими». Під активно чистим енергетичним ресурсом розуміється такий вид ресурсу, за умови застосування якого зменшується негативний вплив на довкілля, пов'язаний з його накопиченням. Тобто такі види ресурсів не тільки можливо, але й необхідно використовувати.

Певна кількість енергетичних ресурсів може вважатись відновлюваною лише за умови правильної їх експлуатації. Так, наприклад, деревину вважають відновлюваним енергетичним ресурсом лише за умови, що на місці зрубаних для опалення дерев буде висаджено таку ж саму кількість саджанців. І навпаки, масове зведення лісів в країнах Африки та Південної Америки, безумовно, не можна вважати розвитком відновлюваної енергетики.

Біоенергетичні ресурси (БЕР) дуже відрізняються між собою за фізичними та хімічними характеристиками. Як результат, практично для кожного виду БЕР існують власні технології поводження та використання з метою отримання енергії. Отже, оцінювання енергетичного потенціалу біоенергетичних ресурсів є досить складним завданням, що потребує застосування специфічних методик для кожного виду БЕР.

Основні визначення

Біоенергетика. За французьким Великим термінологічним словником [1], для визначення галузі енергетики, що використовує БЕР як сировину, використовуються такі терміни (вважаються синонімами): 1) енергетика біомаси (біомас-енергетика); 2) біологічна енергетика; 3.) біоенергетика; 4) зелена енергетика. У вітчизняній літературі найбільш загальновживаним є термін «біоенергетика».

Загальноприйнятого визначення терміна «біоенергетика» .не існує. Внаслідок цього, на основі понять «енергетика», «теплоенергетика», «електроенергетика», «гідроенергетика», «атомна, або ядерна, енергетика» та «вітрова енергетика» [2], а також на основі визначення терміна «альтернативна енергетика» [3] сформульовано визначення терміна «біоенергетика»:

Біоенергетика -- галузь енергетики, що вивчає питання виробітку, перетворення, транспортування, використання механічної, теплової та електричної енергії, отриманої на основі біоенергетичних ресурсів.

Енергетичні ресурси та джерела енергії. Ці поняття нерідко використовуються як синоніми. Наприклад, у словнику-довіднику . «Природокористування» енергетичні ресурси визначаються як «Сукупність... джерел енергії» [4]. Проте існують й інші точки зору. Зокрема, за французьким Великим термінологічним словником: джерела енергії -- усе, що дозволяє виробляти енергії безпосередньо, або шляхом перетворення або трансформації; енергетичні ресурси -- доступні для використання джерела ^ енергії, які характеризується певним потенціалом та для яких існують необхідні технології видобутку/виробництва та використання.

Останній підхід підтверджується в роботах, присвячених НВДЕ. Так, у дослідженнях фундаментального характеру, описового та законодавчого використовується передусім термін «джерела енергії» як засіб узагальненого визначення шляхів отримання енергії. І навпаки, у роботах оціночного характеру використовується термін «енергетичні ресурси».

Так, «енергетичні ресурси включають у себе простір та час, тобто загальна енергія системи -- це не просто сума енергетичних джерел. Загальна енергія системи включає також врахування характеру розподілу енергії у просторі відносно споживачів та часу відносно споживання у часі» [5].

Отже, використовуючи термін «енергетичні ресурси», сформульовано визначення терміна «біоенергетичні ресурси»:

Біоенергетичні ресурси (БЕР) -- визначені у просторі та часі відновлювані енергетичні ресурси біогенного походження, які характеризуються певним потенціалом та для яких існують необхідні технології видобутку/виробництва та використання.

Ресурси та потенціал. На відміну від таких енергетичних ресурсів, як ресурси Сонця і вітру, для яких поняття «потенціал» та «ресурси» є тотожними [6], для БЕР ці поняття мають певні відмінності. Порівняно з енергетичними показниками, у термінах яких виражаються геліо- та вітроенергетичні ресурси, БЕР як накопичена сировина виражається передусім в одиницях обсягу або ваги. Енергетичний потенціал виступає лише в ролі провідної характеристики даного виду ресурсу та залежить від конкретної технології його переробки. Відомо, що стосовно певних видів ресурсів концептуальний зміст поняття «потенціал» становить продуктивність як здатність виробляти ту чи іншу кількість продукції за певний відрізок часу [7]. Отже, потенціал БЕР є здатністю виробляти відповідну кількість енергії за певний проміжок часу, що дозволяє використовувати термін «енергетичний потенціал». Відрізком часу, за який оцінюється енергетичний потенціал, є рік.

Враховуючи, що на основі одного й того самого БЕР, залежно від обраної технології, можна виробляти теплову, електричну або обидва види енергії одночасно, стає необхідним відокремлювати теплоенергетичний та електроенергетичний потенціали:

Теплоенергетичний потенціал даного виду БЕР -- здатність виробляти на основі даного виду БЕР відповідну кількість теплової енергії за рік.

Електроенергетичний потенціал даного виду БЕР -- здатність виробляти на основі даного виду БЕР відповідну кількість електричної енергії за рік.

Види біоенергетичних ресурсів:

відходи:

тверді побутові відходи;

осад станцій очищення комунальних стічних вод;

відходи тваринництва;

відходи рослинництва;

органічні відходи промисловості;

відходи деревини; енергетичні культури:

водорості;

сільськогосподарські культури для виробництва біопалива;

швидкоростучі деревні насадження.

використання біоенергетичних ресурсів

-До основних технологій використання біоенергетичних ресурсів належать такі:

* анаеробне зброджування (зброджування без доступу кисню,під час якого за допомогою певних видів метаногенних бактерій виробляється біогаз -- метанвмісний газ, що вміщує до 60-70% метану);

* термохімічна переробка, (спалювання, піроліз, газифікація -- розрізняються кінцевим продуктом і ступенем доступу кисню);

Г отримання біопалива для автомобілів (біоспирт та біодизель).

Анаеробне зброджування. Біогаз

Технології анаеробного зброджування можна застосовувати до практично будь-якого виду біоенергетичних ресурсів. Проте найбільш поширеним є їх пристосування до ресурсів з високим вмістом вологи.

Газ, що утворюється на основі анаеробного розкладу органічної речовини, був відкритий Ширлі у 1667 році та отримав назву «болотного газу» внаслідок його великої кількості в товщі застійних вод.

У 1884 р. У. Гайон, учень Л. Пастера, представив результати досліджень, що були присвячені процесу ферментації і під час яких було встановлено, що газ, отриманий у процесі ферментації, може бути використаний як енергетичний ресурс для виробітку теплової та електричної енергії.

У першій частині XX століття вивчалися різноманітні технології ферментації, зокрема вплив різних видів сировини, мікрофлори. Вивчалися й температурні режими протікання процесу генерації метану.

У 50-60-х роках значний вплив на розвиток досліджень у галузі анаеробної ферментації мало масове будівництво станцій очищення стічних вод. Так, тільки у ФРН в 1951 році працювало 48 заводів з переробки стічних вод, що виробляли 26 млн м³ біогазу на рік.

Значне привертання уваги світового суспільства до процесу анаеробної ферментації органічних відходів як до джерела отримання енергетичного ресурсу почалося під час нафтових криз у капіталістичних країнах (перша з них сталася у 1973 році).

І нарешті, в останні десятиріччя, слід зазначити розширення використання біогазу для запобігання викидів парникових газів в атмосферу.

Біогаз являє собою суміш газів, більшу частину якої складають метан (СН₄) та двоокис вуглецю (С02). Також як домішки до складу біогазу входять сірководень (Н₂8), азот (N3), водень (Н₂), моно окис вуглецю (СО) та ін.

Основними характеристиками біогазу як енергетичного ресурсу є вміст метану та його теплотворна здатність. Вміст метану в складі біогазу залежить від використаного біоенергетичного ресурсу, а також від технології його отримання. Найменші концентрації метану в складі біогазу має біогаз звалищ твердих побутових відходів (ТПВ) внаслідок неможливості контролювання процесу його утворення. Для невеликих звалищ цей показник становить 20-30 %, для більш значних -- 40-60 %. Для станцій очищення міських стічних вод вміст метану в складі біогазу є дещо більшим -- від 50 % (наприклад, у проекті міста СпашЬегу, Франція) до 70 % (в проекті міста ТгоШіаііап, Швеція). Найчастіше його вміст становить 65 %. Найбільших значень вміст метану сягає під час використання відходів тваринництва або харчової промисловості -- 80-81 %.

Теплотворна здатність, що має тісний зв'язок із вмістом метану, коливається найчастіше від 17 до 25 МДж/м³. У разі застосування технологій очищення біогазу від домішок (якими є двоокис вуглецю, азот, сірководень та ін.) теплотворна здатність може сягати до 35 МДж/м³.

З технологічної точки зору, в процесі анаеробної ферментації (метаногенезу) вирізняють певні стадії:

'*'Г стадія гідролізу-- вихідний субстрат, що вміщує полімерні сполуки, розкладається до мономерів. Для різних субстратів (целюлоза, крохмаль, пектин, білки) гідроліз проводиться різними мікроорганізмами;

стадія ацидо- та сольвентогенезу -- перетворення продуктів гідролізу в суміш жирних кислот та нейтральних розчинників. Спостерігається виділення водню, двоокису вуглецю, сірководню, аміаку. На даній стадії втілюються різноманітні види бродіння -- спиртове, маслянокисле та ін. Перетворення здійснюються за допомогою гідролізерів та «мікрофлори розсіювання», що поглинає продукти гідролізу та забезпечує їх зброджування; ацетогенна стадія. Тісно пов'язана з метаногенною, тому що остання використовує водень, що утворюється за ацетогенезу; метаногенна стадія -- перетворення в метан та двоокис вуглецю отриманої сировини: 1) суміші двоокису вуглецю та водню; 2) ацетату; 3) форміату; 4) метанолу; 5) метиламінів; 6) моно-оксиду вуглецю. Всього існує 13 видів метанобактерій, які між собою поділяються за використовуваною сировиною. до значних природоохоронних вигід: за допомогою спалювання біо-газу зменшуються його парникові властивості у 5,4 раза.

Більш ефективним методом поводження з біогазом є використання тепла, отриманого під час його спалення, для випарювання фільтрату, який утворюється в тілі звалища, що містить велику кількість забруднювачів. Традиційні способи поводження з фільтратом -- відправлення його на станції очищення міських стічних вод, або повернення його в тіло звалища.

Виробництво теплової енергії з біогазу було одним з основних способів використання біогазу у другій половині XX століття. Проте для цього застосовувались інші види сировини -- осад стічних вод, відходи тваринництва. Навіть у містах України (зокрема, у Харкові) відомі приклади генерації біогазу з осаду станцій очищення стічних вод з метою забезпечення власних потреб у тепловій енергії, а також для створення локальних теплових мереж для опалення будинків. Біогаз звалищ ТПВ переробляється на тепло зазвичай у котельнях та печах промислових підприємств, що розташовані поблизу звалища. Нерідко практикується створення штучних споживачів теплової енергії поблизу (наприклад, теплиць).

Виробництво електричної електроенергії є найбільш популярним способом утилізації біогазу в розвинених країнах. Цьому сприяє також наявність вже відпрацьованої схеми купівлі виробленої енергії власниками електричних мереж. Так, у Франції у 2002 році з 238 ГВт * год, вироблених на основі біогазу, 234 були продані компанії ЕДФ (Електрична енергія Франції). На думку вітчизняних експертів, цей спосіб переробки є оптимальним для застосування в разі відсутності поблизу потенційних споживачів біогазу для опалення.

Вироблення теплової та електричної енергії за принципом ко-генерації (одночасне вироблення теплової та електричної енергії) є найбільш ефективним способом переробки біогазу -- ККД при цьому складає близько 85 %.

Використання біогазу як автомобільне паливо є до новим способом його використання. Найбільш важливою позитивною стороною подібного використання є менше забруднення порівняно з використанням природного газу. Це пояснюється тим, що метан має більш коротку вуглецеву ланку, ніж компоненти природного газу. Під час його використання викиди СО зменшуються на 65 %, Ж)_х -- на ЗО %. Як автомобільне паливо біогаз використовується вже традиційно в таких країнах, як Італія та Нова Зеландія. Дуже високими темпами дана галузь розвивається у США (3 заправні станції на тиждень), Аргентині та інших країнах. Аналіз існуючих

проектів свідчить про необхідність дуже високого ступеня очищення біогазу -- вміст метану повинен бути не меншим 90 %. До того ж економічна доцільність такого способу використання біогазу можлива тільки за умови звільнення подібних проектів від податків або за наявності екологічних субсидій.

Збагачення біогазу до якості природного газу є також перспективним способом використання біогазу, бо це дає можливість збільшення кількості споживачів газу та забезпечує отриманий газ необхідним ринком збуту. Однак подібні проекти потребують чималих інвестицій. На сьогодні за схемою подачі біогазу в мережу працюють шість установок в Голландії, але в цій країні вимоги до якості природного газу не такі високі, як у багатьох інших розвинених країнах.

Термохімічні способи переробки відходів

Для біоенергетичних ресурсів, які характеризуються порівняно малим вмістом вологи (наприклад, солома зернових культур, соняшника; кукурудзи, деревина тощо), використовуються переважно технології термохімічної переробки (піроліз, газифікація та спалювання), які розрізняються за температурними межами процесів за наявності або відсутності кисню.

Піроліз, що являє собою процес термічного розкладу органічних сполук без доступу кисню, найчастіше використовує як сировину деревину, але існують приклади застосування і відходів рослинництва, зокрема соломи. Основними продуктами, що утворюються при цьому процесі, є тверде та рідке паливо, яке набагато зручніше транспортувати до кінцевого споживача. Наприклад, піропаливо має енергетичну щільність 28 ҐДж/м³, порівняно з 2 ГДж/м³ для соломи.

Газифікація являє собою високотемпературний процес, під час якого тверде паливо вступає в реакцію з обмеженою кількістю кисню та перетворюється в основному на горючий газ. Температури процесу є більш високими, ніж у технології піролізу.

Використання обох наведених технологій ву світі розвивається досить високими темпами, але їх застосування на Україні (навіть для найбільш рентабельних для України варіантів -- поєднання пі-ролізера або газифікатора з двигуном внутрішнього згоряння) не може поки що конкурувати з традиційними енергоносіями.

Висвітлені вище технології виступають лише можливою альтернативою найдавнішому виду отримання енергії з біомаси в цілому та, зокрема, з відходів рослинництва -- прямому її спалюванню.

У світовій практиці відомий також такий спосіб виробітку енергії на основі рослинних залишків, як сумісне їх спалювання з вугіллям. Як показують дослідження, під час застосування такої технології спостерігається зниження рівня викидів СО, N0^, 80₂ при збільшенні викидів НС1 (останнє пояснюється значним вмістом хлору в соломі). Порівняння можливостей використання тільки біомаси та поєднання її з вугіллям на основі досвіду застосування технології сумісного спалювання соломи та вугілля на ТЕЦ в місті Студструп (Данія) показало, що вартість отриманої енергії
в разі застосування технології сумісного спалювання практично на
50 % менша.

Біопаливо

Виробництво палива для автомобілів з рослинних залишків має досить довгу історію не тільки як об'єкта наукових досліджень, але й як проекту промислового та навіть загальнодержавного масштабу. Дійсно, ще у 70-х роках минулого століття, внаслідок нафтових криз у Північній та Південній Америці, було розпочато масштабні програми з виробництва біопалива (у Бразілії -- світовому лідері з виробництва цукру та у СІЛА -- світовому лідері з виробництва кукурудзи). Ці проекти стосувалися виробництва спирту з,сільськогосподарських культур для використання у чистому вигляді або у суміші з бензином.

Протягом досить тривалого часу під біопаливом розумівся саме біоспирт. Проте у 90-х роках минулого століття було запущено перший проект промислового масштабу з виробництва біодизелю -- виробництва палива або домішок до палива на основі олійних культур для використання у дизельних двигунах. Динаміку світових обсягів виробництва біопалива показано нарис. 4.5.

Наведені на рис. 4.6 схеми виробництва біопалива належать до біопалива першої генерації. Виробництво цього типу біопалива є найбільш розвиненим. Проте на сьогодні на стадії наукових розробок знаходяться технологічні процеси виробництва біопалива другої (на основі целюлозного волокна) й третьої (на основі морських та океанічних водоростей) генерацій.

На відміну від інших видів відновлюваних енергетичних ресурсів, технології виробництва енергії на основі біомаси є дуже розгалуженими. До того ж більшість технологій все ще залишаються на стадії наукових розробок та не є рентабельними у сучасній економіці. Проте в умовах дедалі більшого привертання уваги до питань охорони довкілля та переведення природоохоронного ефекту у грошові еквіваленти, можна впевнено сказати, що більшість з наведених технологій у найближчі роки набув значного розвитку

Географічні фактори використання біоенергетичних ресурсів. Вплив біоенергетичних ресурсів на навколишнє середовище

З географічної точки зору, біоенергетичні ресурси (БЕР), їх розміщення та можливості використання залежать від складного поєднання природних, соціальних та економічних факторів. Дійсно, більшість біоенергетичних ресурсів є речовиною, що була отримана з природного середовища, використана за призначенням та знову повернена в природне середовище у вигляді відходів. Стосовно вирощування енергетичних культур, їх розповсюдження також знаходиться під впливом як природних факторів (якість ґрунтів, кліматичні умови), так і суто соціальних та управлінських (рентабельність вирощування енергетичних культур, державні інструменти стимулювання розвитку даної галузі тощо).

З просторової точки зору, більшість місць утворення або накопичення БЕР дуже розосереджені за територією, та кожне з них має порівняно незначний енергетичний потенціал. Проте зважаючи на той факт, що БЕР є саме речовиною, яку можна транспортувати (на відміну від вітрової та сонячної енергії), дуже важливим етапом вивчення БЕР є можливості створення централізованихтустановок, що споживають БЕР одразу з декількох місць їх утворення або накопичення,

Нарешті, враховуючи наведене визначення БЕР як активно чистого енергетичного ресурсу, стосовно впливу на довкілля можна сказати, що сам факт використання БЕР вже має позитивний природоохоронний ефект порівняно із захороненням БЕР як відходів.

Вітрова енергетика України. Історія та методи дослідження

Подальше зростання геліоенергетичних ресурсів спостерігається у лютому, що спричинене як збільшенням тривалості світлої частини доби та висоти сонця над поверхнею горизонту, так і зменшенням хмарності, що найбільш яскраво проявляється у центральній частині країни, де через вплив хмарності спостерігаються високі значення сум виробітку енергії сонячними батареями -- більше 4 кВт * год/рік.

Для березня характерна найбільша інтенсивність циклонічної діяльності. Це є причиною того, що територіальна мінливість ГЕР у березні стає значно більшою, ніж у зимовий період, бо це спричинене збільшенням впливу фактору хмарності. Крім того, значно збільшився середній за територією країни показник ГЕР порівняно з попереднім місяцем: з 4,2 кВт год/рік у лютому до 7,5 кВт год/рік у березні. Таке зростання пояснюється тим, що оптимальний середньорічний кут нахилу фотоелектричних панелей дорівнює оптимальному середньомісячному кутові нахилу приймальної поверхні у березні та вересні. Подальше збільшення геліоенергетичних ресурсів протягом весняних та літніх місяців є більш повільним та відбувається не завдяки збільшенню кута падіння сонячних променів на сонячні батареї (останній дещо зменшується протягом першої половини вказаного періоду), а завдяки збільшенню тривалості дня та зменшенню хмарності.

У квітні ГЕР рівнинної території країни наближуються до широтного розподілу. Розрахункові суми виробітку змінюються від 8 кВт год/рік на північному сході до 9,5 кВт * год/рік у Кримському степовому краї.

У травні знову-таки змінюється розподіл геліоенергетичних ресурсів. Мінімальні значення -- 8 кВт * год/рік -- спостерігаються вже у Західно-Українському краї зони широколистих лісів, зокрема на Волинському та Малому Опіллі, а також у Розточчі та Опіллі, через вплив хмарності. Взагалі улітку вплив хмарності на розподіл радіації є значно більшим, ніж протягом іншої пори року. На іншій частині території ресурс змінюється незначно.

У червні мінімальні значення спостерігаються знов-таки у Західно-Українському краї, проте вони все ж зростають до 9,5 кВт год/рік. На іншій частині території країни досліджуваний ресурс збільшується у південно-східному напрямку.

Протягом липня для всієї території країни характерні максимальні значення розрахункових сум виробітку СБ, що змінюються в межах від 10,5 кВт год/рік на північному сході до 12 кВт год/рік на узбережжі Чорного моря.

У серпні значення геліоенергетичних ресурсів дещо зменшуються, але картина розподілу по всій території країни залишається попередньою.

У вересні найменші значення ресурсу притаманні Поліському краю, Лівобережно-Дніпровському та Східно-Українському лісостеповим краям, а також Старобільській схилово-височинній області Задонецько-Донського північно-степового краю -- 8,5 кВт год/рік. Вони дещо збільшуються у південному напрямку до 10,5 кВт год/рік.

Значно зменшуються геліоенергетичні ресурси у жовтні. Так, якщо середні значення останнього для вересня складають 9,5 кВттод/рік, то для жовтня -- 6,5 кВт год/рік, що пов'язане з кутом нахилу сонячних панелей, про що йшлося вище. ГЕР змінюються від 6 кВт год/рік у Північно-Полтавському рівнинному та Сумському височинному лісостепу до 8,5 кВт год/рік у Кримському лісостеповому краї.

У листопаді територіальна мінливість досліджуваного ресурсу зменшується до 2 на більшій частині досліджуваної території: 2,5 кВт год/рік -- у Поліссі та 4,5 кВт год/рік -- на Нижньодніпровській терасово-дельтовій південностеповій областіній області Задонецько-Донського північно-степового краю -- 8,5 кВт год/рік. Вони дещо збільшуються у південному напрямку до 10,5 кВт год/рік.

Значно зменшуються геліоенергетичні ресурси у жовтні. Так, якщо середні значення останнього для вересня складають 9,5 кВттод/рік, то для жовтня -- 6,5 кВт год/рік, що пов'язане з кутом нахилу сонячних панелей, про що йшлося вище. ГЕР змінюються від 6 кВт год/рік у Північно-Полтавському рівнинному та Сумському височинному лісостепу до 8,5 кВт год/рік у Кримському лісостеповому краї.

У листопаді територіальна мінливість досліджуваного ресурсу зменшується до 2 на більшій частині досліджуваної території: 2,5 кВт год/рік -- у Поліссі та 4,5 кВт год/рік -- на Нижньодніпровській терасово-дельтовій південностеповій області

Дослідження вітроенергетичних ресурсів в Україні

Дослідження вітру в Україні за останні 50 років проводились у декількох напрямах. Першим є дослідження вітрового режиму території України, її окремих ділянок, зокрема міст, а також акваторії Чорного моря. Під час опису швидкостей вітру найбільш повно висвітлюються їхні часові зміни протягом року -- за сезонами або за місяцями. Серед факторів, що впливають на просторовий розподіл показника швидкості вітру, виділяють баричний градієнт, умови циркуляції атмосфери та характер підстилаючої поверхні (її шерехатість).

Велике значення для визначення потреб вітроенергетики має добовий хід швидкості вітру. Найбільші швидкості вітру спостерігаються у денні години, що пов'язане з розвитком конвекції, що створює значний вертикальний обмін повітря [1, 2]. Вночі радіаційне вихолоджування земної поверхні збільшує стійкість нижніх шарів повітря, сприяючи зменшенню швидкості вітру.

Для розвитку вітроенергетики важливою також є зміна середньої швидкості вітру за останні роки, а також тенденції та прогнози її змін. Щодо останнього, є дані, що за останні ЗО років середня швидкість вітру майже на всій території зменшилась на 10-35 % [3]. Вказується на те, що цей факт може бути пов'язаний як із суб'єктивними причинами (зміною методик вимірювання швидкостей вітру, перехід на використання дистанційних анеморумбоме-трів, забудовою територій у районі станцій), так і з об'єктивними причинами змін у макро- та мезоциркуляційних процесах в атмосфері. Здійснивши детальний аналіз змін середньомісячної швидкості вітру, автори Кульбіда М. І. та Бондаренко 3. С. доходять висновку, що у східних і південних районах за останнє 30-річчя (починаючи з 70-х років) відзначається зменшення середньої швидкості вітру.

Детальністю характеристик вітрового режиму на регіональному рівні відрізняються дослідження вітру над Чорним морем [4-5].

Ведеться детальний аналіз вітрового режиму окремих міст, зокрема характеризується річна динаміка швидкостей вітру, її залежність від баричних градієнтів та пропозиції щодо прогнозування [6-7].

Іншим напрямом дослідження вітру є саме дослідження вітроенергетичних ресурсів.

Районування та типологія території України за вітропотенціа-лом відбувається на основі комплексу показників:

середньорічна швидкість вітру;

її мінливість;

питома потужність та сумарні потенційні вітроенергоресурси;

утилізована вітрова енергія;

тривалість енергоактивної швидкості вітру та енергетичного

штилю;

безперервна тривалість робочої швидкості вітру.

Було виділено 5 типів територій, кожному з яких присвоєний певний ранг вітроенергозабезпеченості [3].

Дуже високим потенціалом характеризуються узбережжя Чорного та Азовського морів, Південний берег Криму, вершини Українських Карпат, Кримських гір; високим потенціалом -- Донецька височина, ПрИазовська та Причорноморська низовини; достатнім потенціалом -- Подільська та Придніпровська височини; невисоким потенціалом -- Поліська та Придніпровська низовини, Волинська височина, низьким потенціалом -- Передкарпаття, Закарпаття, долини Українських Карпат та Кримських гір. Недоліком такої оцінки, на думку авторів, є високі кореляції між використаними при оцінці показниками.

У деяких роботах за середньорічними швидкостями більше 5 м/с виділяють регіони (Карпатський, Причорноморський, При-азовський, Донбаський, Західно-Кримський, Східно-Кримський) та зони -- Харківська й Полтавська, що є найбільш придатними для розвитку вітроенергетики.

Технології використання вітрової енергії

Вітрові електростанції перетворюють кінетичну енергію вітру в енергію обертання, що обертає турбіну, створюючи електричний струм.

Конструктивно вітрова енергетична установка (ВЕУ) повинна складатися з вітродвигуна, машинного відділення, опори. Вітродвигун перетворює енергію вітрового потоку в механічну, що в подальшому використовується Для приводу машин або трансформується в електричну чи тепло. Вітродвигуни, що використовуються як привід електричного генератора ВЕУ, поділяються на 2 види: роторного і пропелерного типу.

Машинне відділення ВЕУ повинне включати: електричний генератор; обгінну муфту, що від'єднує вал вітродвигуна від вхідного вала мультиплікатора для запобігання вентиляторного режиму; електричне, механічне чи гідравлічне гальмо; мультиплікатор зі змінним чи постійним передаточним відношенням для великої частоти обертання вітродвигуна до рівня, визначеного характеристиками електричного генератора; муфта зчеплення, що зв'язує вихідний вал мультиплікатора та вал електричного генератора; електромеханічний чи гідравлічний привід кута встановлення лопаті й кута конусності; інформаційні та контрольні блоки системи автоматичного регулювання; електромеханічний чи гідравлічний привід кута орієнтування на напрямок вітрового потоку для ВЕУ з ВДП; необхідне допоміжне обладнання. вала мультиплікатора для запобігання вентиляторного режиму; електричне, механічне чи гідравлічне гальмо; мультиплікатор зі змінним чи постійним передаточним відношенням для великої частоти обертання вітродвигуна до рівня, визначеного характеристиками електричного генератора; муфта зчеплення, що зв'язує вихідний вал мультиплікатора та вал електричного генератора; електромеханічний чи гідравлічний привід кута встановлення лопаті й кута конусності; інформаційні та контрольні блоки системи автоматичного регулювання; електромеханічний чи гідравлічний привід кута орієнтування на напрямок вітрового потоку для ВЕУ з ВДП; необхідне допоміжне обладнання. Традиційно ВЕУ мають три лопаті, але можуть бути 2, 4, 6 тощо для даного діаметра вітрового колеса, за збільшення числа лопатей коефіцієнт використання вітру зростає. Збільшення цього коефіцієнта при переході від 1 до 2-х лопатей складає 10%, а при переході від 2 до 3-х лопатей -- 5%.

Основними характеристиками конструкції лопатей є профіль розрізу і форма, матеріал і метод виготовлення. Зазвичай застосовуються секції лопатей із профілем крила для досягнення високого відношення підйомної сили до лобового опору, а отже, високого коефіцієнта використання енергії вітру. Матеріали лопаті різні -- дерево, алюміній, сталь, склопластик тощо. Дерево -- ялина, бук. Дерев'яні лопаті часто посилюють використанням алюмінію, сталі, міді.

Кут встановлення лопатей для невеликих ВЕУ змінний. Кутвстановлення лопатей забезпечує захист від перевищення максимальної частоти обертання та регулювання потужності. Для невеликих ВЕУ використовуються лопаті з фіксованим кутом в тих випадках, коли підвищення максимальної частоти обертання може бути попереджено іншими засобами. ВЕУ горизонтально-пропелерного типу потребують механізму орієнтації для напрямлення ротора вітрової турбіни за змінами в напрямку вітру. Найбільш проста система, коли вітрова труба обертається за вежею.

Географічні фактори використання вітрової енергії

Головними фізико-географічними чинниками, що впливають на вітроенергетичні ресурси, є: баричний градієнт; інтенсивність циклонічної діяльності; рослинний покрив; відносна висота; * . розчленованість рельєфу.

Баричний градієнт -- це різниця між значеннями атмосферного тиску на одиницю відстані. Саме цей показник характеризує причину виникнення усіх вітрів -- різницю атмосферного тиску.

Інтенсивність циклонічної діяльності показує повторюваність циклонів на території. Для циклонів характерні найбільші швидкості вітру, тому циклонічна діяльність сприяє збільшенню вітроенергетичних ресурсів. І навпаки, антициклони характеризуються найменшими швидкостями вітру.

Рослинний покрив, особливо ліси, зменшують швидкість приземного вітру. Взагалі підстилаюча поверхня визначає силу тертя повітряних мас та, відповідно, зменшення швидкості вітру. Мінімальне зменшення швидкості вітру дає водна поверхня, тому на узбережжях вітропотенціал є високим. Максимальне зменшення швидкості вітру дають лісові ділянки, тому на них вітропотенціал значно зменшується.

Чим більша відносна висота, тим більшими є швидкості вітру. Взагалі, швидкість вітру з висотою збільшується. Це спричинене, по-перше, тим, що з висотою зменшується тертя об земну поверхню. По-друге, під час подолання перешкод, таких як гори, височини, плоскогір'я, щільність та швидкість вітрового потоку збільшуються.

Розчленований рельєф, наприклад у долинах річок (особливо гірських), взагалі зменшує середні швидкості вітру. Проте на окремих ділянках, де виникає концентрація вітрових потоків (напри-клад, стокові вітри), середні швидкості вітру можуть значно збіль- | шуватись.

Серед економіко-географічних чинників розвитку вітроенергетики можна виділити такі:

Віддаленість від електромережі. Використання вітроустановок на територіях, де відсутня електромережа, є економічно доцільним через відсутність інших джерел електричної енергії або надмірну вартість прокладання лінії електропередач до об'єкта енергоспоживання.

Наявність вільних ділянок землі. Доцільним є використання . земель для встановлення вітроустановок, якщо останнє не заважає основному використанню цих земель. Наприклад, установлення вітроагрегатів на ділянках пасовищ не заважає використовувати ці землі для потреб сільського господарства.

Підтримка державних та місцевих органів влади. За рахунок органів влади можна зменшити витрати на створення вітрових електростанцій. Також можна збільшити дохід від виробітку енергії. Так, наприклад, країни Європейського Союзу купують усю електроенергію, що виробляється ВЕС за підвищеними цінами.

Наявність транспортної мережі. Для встановлення великих вітроустановок з потужністю понад 1 МВт вітроагрегати потрібно доставити до місця установки. Відсутність доріг з потрібними параметрами дуже ускладнює та дорожчає встановлення вітроагрегатів.

Слід відзначити, що під час розглядання перспектив розвитку вітроенергетики на більш локальних рівнях можуть з'являтись інші географічні чинники, які необхідно враховувати.

Вплив ВЕС на навколишнє середовище Шумовий вплив

Вітряні енергетичні установки виробляють два різновиди шуму: механічний шум (шум від роботи механічних й електричних компонентів) та аеродинамічний шум (шум від взаємодії вітрового потоку з лопастями установок).

Шум від вітрогенератора на відстані 350 м становить 35-45 дБ. У безпосередній близькості від вітрогенератора в осі вітроколеса рівень шуму досить великої вітроустановки може перевищувати 100 дБ.

Закони, прийняті у Великій Британії, Німеччині, Нідерландах і Данії, обмежують рівень шуму від працюючої вітряної енергетичної установки до 45 дБ у денний час і до 35 дБ уночі. Мінімальна відстань від установки до житлових будинків -- 300 м.

Візуальний вплив

Візуальний вплив вітрогенераторів -- суб'єктивний фактор. Для поліпшення естетичного вигляду вітряних установок у багатьох великих фірмах працюють професійні дизайнери. Для візуального обґрунтування нових проектів залучають ландшафтних архітекторів.

В огляді, виконаному датською фірмою АКР¹, вартість впливу шуму й візуального сприйняття від вітрогенераторів оцінена менш ніж 0,0012 євро на 1 кВт * год. Огляд базувався на інтерв'ю, узятих у 342 осіб, які живуть поблизу від вітрових ферм. Мешканців запитували, скільки вони заплатили б за те, щоб позбутися сусідства з вітрогенераторами.

Використання землі

Турбіни займають лише 1 % від загальної території вітрової ферми. На 99 % площі ферми можна займатися сільським господарством або іншою діяльністю, що й відбувається в таких густона-селених країнах, як Данія, Нідерланди, Німеччина. Фундамент вітроустановки, що займає площу близько 10 м у діаметрі, зазвичай цілком розташовується під землею, дозволяючи розширити сільськогосподарське використання землі практично аж до основи вежі. Земля здається в оренду, що дозволяє фермерам одержувати додатковий дохід. У СІЛА вартість оренди землі під однією турбіною становить 3-5 тис. дол. на рік.

Шкода, якої зазнають тварини та птахи

Одним з головних недоліків ВЕС уважають їх вплив на птахів та їх міграції. Дослідження свідчать про те, що цей вплив є надзвичайно малим. Узагалі про всі ці впливи можна судити за ставленням до ВЕС тварин, які їх оточують: «За п'ять років експлуатації Аджигольської ВЕС тут не було зафіксовано жодного випадку смерті птахів, ссавців або плазунів від впливу ВЕС. На станції живуть їжаки, зайці, собаки й коти. Понад рік на ВЕС жили, народжувалися й росли кролики. Неодноразово зауважувалася схильність овець, які пасуться неподалік, ховатися від вітру за спорудженнями ВЕС. Навесні на сонці гріються вужі й полози, які є істотами, найбільш чутливими до вібрацій і шумів... На практиці шкідливий вплив на екосистему не встановлено ».

Перешкоди поширенню телесигналів

Металеві деталі вітроустановки, особливо елементи в лопатях, можуть спричинити значні перешкоди в прийомі телесигналу. Чим більша за розмірами вітроустановка, тим більші перешкоди вона може створювати. У деяких випадках для розв'язання проблеми доводиться встановлювати додаткові ретранслятори.

Розрахунки вітроенергетичних ресурсів: методика, вихідні показники, результати

Розрахунки вітроенергетичних ресурсів залежать від типу вітроустановки, тому що остання визначає, яка частина вітрової енергії буде перетворена на електричну енергію. Ця величина для вітроагрегатів може відрізнятись у декілька разів, залежно від ККД установки, довжини лопастей, висоти башти вітряка.

Тому розрахунок вітроенергетичних ресурсів далі проводиться для конкретного типу вітроустановок ВЕУ-075. Установка ВЕУ-075 призначена для забезпечення електроенергією невеликих об'єктів. Вона застосовується як у місцях, де відсутня мережна енергія (туристичні табори, польові фермерські бази, присадибні ділянки, живлення різних дрібних автономних комплексів), так і як резервне джерело електричної енергії для приватних будинків.

її розрахункова потужність складає 750 Вт за розрахункової швидкості вітру 7,5 м/с. Стартовою швидкістю вітру, за якої вона починає працювати, є 2,5 м/с, максимальною -- 50 м/с. Установка використовується у багатьох регіонах України.

Висота башти, на яку встановлюється вітродвигун, дорівнює 11 м, тому для розрахунків виробітку енергії ВЕУ спочатку потрібно здійснити приведення середньомісячних швидкостей вітру до висоти 11м над поверхнею землі. Необхідність приведення середніх швидкостей вітру до однієї висоти визначається відмінністю розташування відносно поверхні землі приладів, що реєструють швидкість вітру. На метеостанціях України прилади розташовуються на висотах від 8 м (Плай, Закарпатська область) до 20 м (Хуст, Закарпатська область; Севастополь, АР Крим). Відомо, що за звичайних умов швидкість вітру з висотою збільшується. Тому для використання даних швидкостей вітру їх необхідно привести до однієї висоти. Найчастіше для цього використовують ступеневу функцію виду:

де V, та У₂ -- швидкості вітру на висотах Н_г та Н₂ відповідно, т -- показник ступеня У кадастрових дослідженнях СРСР 50-60-х років під час приведення швидкостей вітру до однієї висоти показник ступеня т вважався постійним та дорівнював 0,2. Подальші дослідження показали, що показник ступеня змінюється у доволі широких межах, та його значення істотно залежать від швидкостей вітру.

За останніми формулами на основі даних Кадастру з клімату України було розраховано швидкості вітру для відносної висоти 11 м, значення яких, за деякими метеорологічними станціями.

Размещено на Allbest.ru