Разработка бытового ветрогенератора

Разработка бытового ветрогенератора

CОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование темы

1.1 Атомная энергетика

1.2 Нефть

1.3 Уголь

1.4 Проблемы развития энергетики

1.5 Альтернативные источники энергии

1.6 Основные причины перехода к АИЭ

2. Обзор структуры ВЭУ

2.1 Промышленные ветрогенераторы

2.2 Строение малой ветряной установки

2.3 Строение промышленной ветряной установки

2.4 Типы ветрогенераторов

2.5 Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

2.6 Перспективные разработки

2.7 Малые ветрогенераторы

3. Выбор схемы обеспечения объекта энергией

4. Выбор основного оборудования

5. Расчёт токов короткого замыкания

6. Выбор аппаратуры управления и защиты

6.1 Выбор контролера

6.2 Выбор инвертора

7. Выбор АВР

8. Выбор АКБ

9. Опасные и вредные производственные факторы при эксплуатации ветроэнергетической установки

10. Технико-экономический расчёт внедрения автономной системы электроснабжения

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше заостряет свое внимание на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

Во второй половине ХХ столетия перед человечеством встала глобальная проблема - это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, приведем данные статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И это данные на далекий 1993 год. Если учесть, что каждый год с конвейеров автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира увязнут в смоге. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в энергетическом кризисе.

Таким образом, на сегодняшний день перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены проблемы обнаружения новых видов топлива, которые можно было бы назвать безотходными и неисчерпаемыми.

1. ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ

Современный период развития человечества иногда характеризуют через энергетику, экономику, экологию. Энергетика в этом ряду занимает особое место. Она является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.

Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

Нет основания ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира), поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

ѕ какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

ѕ можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

ѕ каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Познакомимся с основными экологическими последствиями современных способов получения и использования энергии.

1.1 Атомная энергетика

На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.

Значение атомных электростанций в энергобалансе любой страны трудно переоценить. Гидроэнергетика требует создания крупных водохранилищ, под которые затапливаются большие площади плодородных земель. Вода в них застаивается и теряет свое качество, что, в свою очередь, обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.

Теплоэнергетические станции в наибольшей степени способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли. Тепловые энергетические установки во всем мире выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. тонн золы и около 60 млн. тонн сернистого ангидрида.

Атомные электростанции (АЭС) - это третий «кит» в системе современной мировой энергетики. Техническая обеспеченность АЭС, бесспорно, являются крупнейшим достижением научно-технического прогресса (НТП). В случае их безаварийной работы не производится практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда, в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность для всего живого. Обнадеживает тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, они весьма компактны, и их можно хранить в таких условиях, которые гарантируют отсутствие утечки. АЭС много экономичнее обычных тепловых электростанций, а, самое главное, при их правильной эксплуатации - это чистые источники энергии.

В 1990 году атомными электростанциями мира производилось 16% всей электроэнергии. Такие электростанции работали в 31 стране и строились еще в 6 странах. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, Японии т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.

Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. - в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. - в Санта-Сюзанне (США), в 1961 г. - в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 г. - на АЭС Три-Майл-Айленд (США), в 1986 г. - на Чернобыльской АЭС (бывший СССР, сейчас Украина) [5; стр. 15].

Атомная энергетика по-прежнему остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы выработки электpоэнеpгии и его использовании для создания ядерного оружия.

1.2 Нефть

Доказанные запасы нефти в мире оцениваются в 140 млрд. тонн, а ежегодная добыча составляет около 3,5 млрд. тонн. Однако вряд ли стоит предрекать наступление через 40 лет глобального кризиса в связи с исчерпанием нефти в недрах Земли, ведь экономическая статистика оперирует цифрами доказанных запасов, то есть запасов, которые полностью разведаны, описаны и исчислены. А это далеко не все запасы планеты. Даже в пределах многих разведанных месторождений сохраняются неучтённые или не вполне учтённые нефтеносные секторы.

Наиболее яркой особенностью размещения запасов нефти является и сверхконцентрация в одном сравнительно небольшом регионе - бассейне Персидского залива. Здесь, в Иране и Ираке, сосредоточено 2/3 доказанных запасов, причём большая их часть (более 2/5 мировых запасов) приходится на три аравийские страны с немногочисленным коренным населением - Саудовскую Аравию, Кувейт и Объединённые Арабские Эмираты. Даже с учётом огромного количества иностранных рабочих, наводнивших эти страны во второй половине 20 века, здесь насчитывается немногим больше 20 млн. человек - около 0,3% мирового населения.

В Европе исчерпание запасов связано со сравнительно небольшой природной нефтеносностью региона и очень интенсивной добычей в последние десятилетия: форсируя добычу, страны Западной Европы стремятся разрушить монополию ближневосточных экспортёров. Однако шельф Северного моря - главная нефтяная бочка Европы - не бесконечно нефтеносен.

Что же касается заметного уменьшения доказанных запасов на территории Российской Федерации, то это связано не только с физическим исчерпанием недр, как в Западной Европе, и несколько с желанием попридержать свою нефть, как в США, сколько с кризисом отечественной геологоразведочной отрасли. Темпы разведки новых запасов отстают от темпа других стран.

1.3 Уголь

Единой системы учёта запасов угля и его классификации не существует. Оценки запасов пересматриваются как отдельными специалистами, так и специализированными организациями. На 10 сессии Мировой энергетической конференции (МИРЭК) в 1983г. достоверные запасы углей всех видов были определены в 1520 млрд. тонн. Извлекаемыми с технико-экономической точки зрения признаются лишь 2/3 достоверных запасов. На начало 90-х годов, по оценке МИРЭК, около 1040 млрд. тонн.

Наибольшими за пределами территории Российской Федерации достоверными запасами располагают США (1/4 мировых запасов), КНР (1/6), Польша, ЮАР и Австралия (по 5-9% мировых запасов), более 9/10 достоверных запасов каменного угля, извлекаемых с использованием существующих в настоящее время технологий (оцениваемых в целом по миру примерно 515 млрд. тонн) сосредоточено, по оценке МИРЕК 1983г., в США (1/4), на территории Российской Федерации (более 1/5), КНР (около 1/5), ЮАР (более 1/10), ФРГ, Великобритании, Австралии и Польши. Из других промышленно развитых стран значительными запасами каменного угля располагают Канада и Япония, из развивающихся - в Азии - Индия и Индонезия, в Африке - Ботсвана, Свазиленд, Зимбабве и Мозамбик, в Латинской Америке - Колумбия и Венесуэла.

Наиболее экономична разработка месторождений каменного угля открытым способом - карьерами. В Канаде, Мозамбике и Венесуэле этим способом могут разрабатываться до 4/5 всех запасов, в Индии - 2/3, в Австралии - около 1/3, в США - более 1/5, в Китае - 1/10. Эти запасы используются более интенсивно, и доля угля, разрабатываемого открытым способом, составляет, например, в Австралии более 1/2, в США более 3/5.

Подавляющая часть разведанных запасов бурого угля и его добычи сосредоточена в промышленно развитых странах. Размерами запасов выделяются США, Германия и Австралия, а наибольшее значение добычи и использование бурого угля имеют в энергетике Германии и Греции. Большая часть бурого угля (более 4/5) потребляется на ТЭС, расположенных вблизи разработок. Дешевизна этого угля, добываемого почти исключительно открытым способом, обеспечивает, несмотря на его низкую теплотворную способность, производство дешёвой электроэнергии, что привлекает к районам крупных буроугольных разработок электроёмкие производства. В капитале, инвестируемом в буроугольную отрасль, велика доля средств электроэнергетических компаний.

1.4 Проблемы развития энергетики

Развитие индустриального общества опирается на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и электрической энергии лежит процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угла, нефти или газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана и плутония при поглощении нейтронов.

Масштаб добычи и расходования энергоресурсов, металлов, воды и воздуха для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов стремительно сокращаются. Особенно остро стоит проблема быстрого исчерпания запасов органических природных энергоресурсов.

Мировые запасы энергоресурсов оцениваются величиной:

V=355 *Q ,

где V - мировые запасы энергоресурсов;

Q - единица тепловой энергии, равная Q=2,521017 ккал = 36109 тонн условного топлива /т.у. т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,81012 * т.у. т.

Из этого количества примерно одна треть может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. С другой стороны, современные потребности в энергоносителях составляют 1,11010 т.у.т./год и растут со скоростью 3-4% в год, то есть удваиваются каждые 20 лет.

Следовательно органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем.

Отметим также, что при сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5 %, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Использование энергии атомного ядра и развитие атомной энергетики частично снимает остроту этой проблемы. Действительно, открытие деления тяжелых ядер при захвате нейтронов, сделавшее век атомным, стало существенным вкладом к запасам энергетического ископаемого топлива. Запасы чистого урана в земной коре оцениваются цифрой - 1014 тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4109 тонн. В тоже время богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108 тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104 тонны очищенного урана.

Другая важная проблема современного индустриального общества - обеспечение сохранности природы, чистоты воды и воздуха.

Известна озабоченность ученых по поводу "парникового эффекта", возникающего из-за выбросов углекислого газа при сжигании органического топлива, и соответствующего глобального потепления климата на нашей планете. Проблемы загазованности воздушного бассейна, "кислых" дождей, отравления рек приблизились во многих районах к критической черте.

Атомная энергетика не потребляет кислорода и имеет ничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации, что позволяет устранить возможность возникновения парникового эффекта с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления.

Чрезвычайно важным обстоятельством является тот факт, что атомная энергетика доказала свою экономическую эффективность практически во всех районах земного шара. Кроме того, даже при большом масштабе энергопроизводства на АЭС, атомная энергетика не создаст особых транспортных проблем, поскольку требует минимальных транспортных расходов, что освобождает общество от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива.

1.5 Альтернативные источники энергии

Альтернативная энергетика, основанной на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь подробнее каждый из них и выясним, возможно ли, и насколько эффективно их применение.

Масштабы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), растут с каждым годом. Сегодня их доля в мировом энергетическом балансе составляет около 8%, а к 2020 г.. по прогнозам специалистов, должна возрасти до 19%.

Технологии использования ВИЭ неуклонно совершенствуются и становятся все более конкурентоспособными и привлекательными. Повышенный интерес к применению экологически чистых ВИЭ во многих странах связан как с ростом цеп на традиционные энергоносители, так и с угрозой антропогенного загрязнения окружающей среды, в том числе энергетическими объектами.

В последние годы внимание к новым источникам энергии резко возросло и в России. Несмотря на то, что страна обладает колоссальными запасами нефти, газа и угля, затраты на их добычу и транспортировку неуклонно растут. Большая часть территории с населением около 20 млн. человек не имеет централизованных систем электро- и теплоснабжения. В условиях быстрого роста тарифов (в некоторых регионах России за последние 4 года - в 3-5 раз) многие потребители предпочитают использовать собственные, в том числе нетрадиционные автономные источники энергии. Появляются новые области их эффективного практического применения.

К примеру, на Камчатке использование нескольких блоков Верхне-Мутновской и Мутновской геотермальных электростанций позволило существенно облегчить положение с энергоснабжением полуострова. Причем следует отметить, что себестоимость электроэнергии ГеоЭС существенно ниже, чем на дизельных электростанциях.

В настоящее время активно развиваются и внедряются технологии энергетической переработки отходов деревоперерабатывающей промышленности на северо-западе России. Создаются ветроэнергетические комплексы па Чукотке, в Калининградской, Ленинградской и других областях страны. Расширяется применение мини-и микро-ГЭС в горных районах Алтая, Башкирии, Бурятии, растет интерес к системам теплоснабжения на базе тепловых насосов.

Широкое применение в России могла бы найти и солнечная энергия. Несмотря на то что в ряде районов страны (прежде всего в Краснодарском крае, Дагестане. Бурятии) в течение ряда лет успешно работают солнечные водонагревательные установки, обеспечивающие горячей водой некоторые санатории, дома отдыха, больницы и жилые дома, в других регионах отношение к ним осторожное.

Бытует мнение, что солнечная энергия может эффективно использоваться только в южных странах, а Россия после распада Советского Союза стала считаться северной страной, где солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно.

Последние исследования и разработки специалистов Института высоких температур Российской академии наук (ИВТ РАН) доказывают несостоятельность такой точки зрения.

В лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ИВТ РАН завершена разработка Атласа распределения ресурсов солнечной энергии по территории России, создана климатическая база данных, ориентированная на исследования в области солнечной энергетики. Наземных станций, па которых проводятся систематические измерения потоков солнечного излучения на территории России, насчитывается всего около ста, что явно недостаточно для районирования всей территории страны. Поэтому в исследованиях были использованы также спутниковые данные NASA, полученные за 10 лет наблюдений за радиационным балансом земной поверхности, в том числе и над территорией России. В результате сотрудниками лаборатории составлены карты поступления солнечной радиации на неподвижные поверхности, ориентированные различным образом в пространстве для всех регионов за определенные периоды года. Для эффективного преобразования энергии Солнца важно выбрать оптимальный угол наклона солнечного коллектора, при котором суммарное поступление энергии солнечного излучения на приемную поверхность за рассматриваемый период работы максимально. Оптимизация угла позволяет в 1,3--1,5 раза увеличить сбор энергии по сравнению с ее поступлением на горизонтальную поверхность.

Построение карт позволило системно оценить потенциал солнечной энергии в различных регионах страны. На изображенной выше карте приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации, поступающей в среднем за день на 1 м площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации па единичную площадку максимально). Очевидно, что и сегодняшних границах России наиболее «солнечными» являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (от 4,5 до 5.0 кВт-ч/м2 день). Интересно, что Северный Кавказ, включая известные российские черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт-ч/ в день). Более 60% территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВт-ч/ в день.

Важным фактором, определяющим экономическую эффективность применения солнечных установок, является продолжительность их использования в течение года. Проблема заключается в том, что для высокоширотных районов различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так, для территорий, расположенных за Полярным кругом, значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь. В средней полосе России, в том числе и в Москве, поступление энергии солнечного излучения в летний период в пять раз больше, чем в зимний. В этой ситуации возникает вопрос: какие водонагревательные установки наиболее целесообразно предлагать потребителям: сезонные, работающие только в теплый период, или круглый год? Очевидно, что в последнем случае солнечные водонагревательные установки (СВУ) должны иметь большую поверхность солнечных коллекторов для сбора менее интенсивных потоков радиации. Кроме того, в них должен использоваться незамерзающий теплоноситель и, следовательно, дополнительные теплообменники для передачи тепла к воде. Очевидно, что такие агрегаты будут более дорогими и экономически менее привлекательными.

Освоение "солнечного" рынка в России должно начинаться прежде всего с простейших СВУ сезонного действия, которые могут найти эффективное применение не только на юге страны, но практически на всей территории России. С экономической точки зрения они конкурентоспособны там, где их можно замещать электрическими водонагревателями, потребляющими дорогую электрическую энергию. Их также можно использовать на всех объектах с сезонным (летним) потреблением горячей воды (летние кафе, туристические базы, дома отдыха и т.п.). Особо привлекательны установки для большинства россиян, имеющих летние дачи и загородные дома, электроснабжение которых часто ограничено пропускной способностью местных электрических сетей или вовсе отсутствует. Они имеют хорошие перспективы для применения в сельском хозяйстве, местной промышленности, на объектах жилищно-коммунального хозяйства.

Если взглянуть на карту распределения поступления солнечной радиации на поверхность земли по территории России за летний период, то видно, что большинство районов страны вплоть до 65° северной широты характеризуются примерно одинаковыми высокими значениями среднедневной радиации от 4,5 до 5 кВт-ч/м день, и с этой точки зрения энергетическая эффективность СВУ на всей этой территории оказывается приблизительно одинаковой.

Сотрудниками Лаборатории разработаны современные методы моделирования работы СВУ в реальных климатических условиях, па основе которых определена эффективность их применения в различных регионах России. Показано, например, что в климатических условиях Московского региона с помощью простейшей солнечной водонагревательной установки, имеющей плоский солнечный коллектор площадью 2 кв. м и бак-аккумулятор емкостью 100 л., в период с апреля по сентябрь можно получать теплую воду (т.е. нагретую до температуры выше 37°С) не менее чем в 70% дней этого периода, а при температуре более 45°С - в течение 50% дней без использования какого-либо резервного нагревателя. Даже в условиях г. Салехарда, расположенного на полярном круге, и летнее время установки могут обеспечить теплой водой более 60% дней.

В лаборатории разработаны новые конструкции солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, позволяющие снизить их стоимость в 1,5-2 раза по сравнению с водонагревателями из нержавеющей стали, цветных металлов и стекла. Совместно с проектными организациями разрабатываются типовые решения по использованию солнечных установок различными потребителями. Созданы также стенды для теплотехнических испытаний и сертификации солнечных коллекторов и солнечных водонагревателей в соответствии с национальными и международными стандартами

Большое внимание уделяется созданию демонстрационных объектов в различных регионах страны. Одним из таких полигонов для применения ВИЭ (возобновляемых источников энергии) стала в последние годы Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук (САО), всемирно известный научный центр, расположенный в гоpаx Западного Кавказа. Теплоснабжение научного поселка САО с населением 800 человек обеспечивается местной котельной на дорогом привозном жидком топливе. Отопление и горячее водоснабжение научных комплексов САО, расположенных за пределами поселка, в связи с недопущением загрязнения атмосферы - электрическое. В рамках демонстрационного проекта, осуществляемого под научным руководством лаборатории при финансовой поддержке Федерального агентства по науке, в настоящее время проводится реконструкция систем энергоснабжения САО с широким использованием возобновляемых источников энергии и энергосберегающих технологий. Разработаны и поэтапно вводятся в строй более десятка солнечных установок различного назначения (сезонное и круглогодичное горячее водоснабжение, подогрев воды в бассейне, отопление ряда помещений). Пущена система тепло насосного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа. При этом в качестве низкопотенциального используется тепло, выделяющееся в масляной системе подвески многотонной конструкции телескопа. Также проектируется ветровая ферма и энергоустановка на базе микро-ГЭС, которые предполагается использовать в качестве дублирующих источников энергии. Планируется создание когенерационной энергоустановки (мини-ТЭЦ) на базе действующей котельной жилого поселка. Ожидается, что большинство принятых к реализации технических решений имеют сроки окупаемости от 1 до 5 лет, что характеризует их как высокоэффективные.

Учитывая положительный опыт применения ВИЭ для Специальной астрофизической лаборатории, правительство Карачаево-Черкесской Республики приняло решение о расширении эксперимента и оснащении солнечными и другими установками с ВИЭ ряда объектов на территории республики, в том числе центральной усадьбы и кордонов Тебердинского природного биосферного заповедника, горнолыжных и туристических центров в Домбае, Архызе и др. Начата подготовка Республиканской программы широкого применения ВИЭ и энергосберегающих технологий, которая могла бы стать составной частью Российской программы по использованию возобновляемых источников энергии, запуск которой планируется при участии Глобального экологического фонда Всемирного банка в 2012 г.

1.6 Основные причины перехода к АИЭ

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке;

ѕ политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

ѕ экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

ѕ социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность;

ѕ эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

1.7 Энергия солнца

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909 г. После второй мировой воины рынок захватили газовые и электрические водонагреватели--благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества.

Солнце -- источник энергии очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях.

На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.

Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Из этого следует, что производство энергии будет периодическим и что воспринимающая поверхность, предназначенная для получения заданного количества энергии, должна изменяться в зависимости от интенсивности и продолжительности инсоляции рассматриваемой поверхности. Подсчитано, что для жарких сухих районов, таких, как Западная Америка, Северная Америка или Центральная Австралия, электростанция для производства 1 тыс. МВт при ожидаемой эффективности преобразования потребует суммарной площади коллекторов, равной 13-25 км2. Это больше, чем площадь, занимаемая обыкновенной электростанцией, но меньше, чем площадь, занимаемая станцией и открытым карьером для добычи потребляемого ею угля.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в напряжении на поверхности, т. е. наличие электрического тока. Преимущество этой системы -- в равной эффективности независимо от того, используется ли она в малых элементах -- для электроснабжения камеры или в крупных комплексах -- для больших зданий. В то же время они дороги, малоэффективны и нуждаются в системе аккумуляторов (обычно батарей) для обеспечения непрерывного энергоснабжения ночью и в пасмурные дни.

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию. Ожидается ввод в эксплуатацию опытной станции, основанной на градиенте температуры воды в океане в США.

Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск) выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

Стоимость солнечныхбатарей быстро уменьшается (в 1970г. 1 кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долл., в 1980 г - 1 долл., сейчас -- 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25 % в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18% составляет в настоящее время 28,5 % для элементов из кристаллического кремния и 35 % - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16 % даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей).

Фотоэнергетика весьма перспективна для сельских районов развивающихся стран, так фотоэлектрическая установка, если учитывать весь ее жизненный цикл, более выгодна, чем дизель-генератор мощностью до 20 кВт. В Индии, где действуют 4-5 млн дизельных водяных насосов средней мощностью 3,5 кВт каждый, объем продажи фотоэлектроустановок для их замены может достичь 1 тыс. МВт -- в 25 раз больше их нынешнего мирового сбыта.

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство установок солнечного теплоснабжения оборудовано солнечным коллектором. Только в США эксплуатируются солнечные коллекторы площадью 10 млн. м2, что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. т. В нашей стране аналогичная площадь не превышает 100 тыс. м2.

Представляется, что прямое преобразование солнечной энергии станет краеугольным камнем энергетической системы. Хотя в настоящее время фотогальванические солнечные системы малоэффективны и получаемая на них энергия в 4 раза дороже гелиотермической, но они, тем не менее, используются во многих отдаленных районах, и вполне вероятно, что стоимость электроэнергии, получаемой этим способом, быстро снизится. В ближайшее время могут появиться системы с к.п.д., приближающимся к 40%.

Энергия солнца, как полагают эксперты, -- квинтэссенция энергетики, поскольку фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средств связи и измерительных приборов до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров).

1.8 Ветер

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175…219 тыс.ТВт*ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20…25)*10? кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5% этой энергии. В настоящее же время эта цифра меньше. Использовать ветер, т.е. энергию движения воздуха, человек начал ещё в глубокой древности.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушария образуют систему пассатов. Общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием центробежной силы воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга приходят новые воздушные слои.

Помимо постоянных движений воздушных слоёв существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и в течение года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различным нагревом воды и суши вследствие их разной теплоёмкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремятся учесть опыт тех стран, в которых вероятные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии - классических странах ветряных мельниц.

Многие видные русские исследователи, такие как профессор Н. Е. Жуковский и академик С. А. Чаплыгин, внесли большой вклад в развитие ветряных двигателей.

В основном ветродвигатели применяют в ветроэлектрических станциях.

В настоящее время ветроэнергетика - одна из самых бурно развивающихся отраслей мировой электроэнергетики. В 1960 - 1970-е гг. большинство эксплуатируемых в Европе ВЭУ имело мощность до 20кВт, затем - от 100 до 250 кВт; средняя мощность ВЭУ, выпущенных в 2002 г. в Германии, составила 1100кВт. Тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, по- видимому, сохранится и далее. Так, фирма «De Wind» планирует создание агрегатов мощностью 3…5 МВт. По прогнозам общая мировая мощность ВЭУ к 2006 г. составит более 36000 МВт.

Важным шагом в развитии ветроэнергетики в России, обладающей огромным потенциалом, можно считать сдачу в эксплуатацию в 2002 г. самого крупного ветропарка в стране мощностью 5,1МВт(одна установка мощностью 600 кВт и 20 - по 225 кВт), построенного в Калининградской области. Кроме того, построена Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт (10 агрегатов по 250 кВт) и построена Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт (22 агрегата по 1 МВт).

Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный “процент” в мировой энергобаланс.

У энергии ветра есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют ее использование, но отнюдь не уменьшают ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

В настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.

Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Ветряки при этом стоят рядами на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить слишком тесно - иначе они будут загораживать друг друга. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она никому не мешают, и ветер устойчивее, чем на суше.

Положительный пример по использованию энергии ветра показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение на протяжении 90-х годов построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тысячи высокоэффективных энергоустановок. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

Энергия ветра - это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур в атмосфере земли. В 80-е гг. стоимость 1 кВт*ч ветровой энергии была снижена на 70% и теперь составляет 6 - 8 центов, что делает ее конкурентоспособной по отношению к энергии, получаемой на новых тепловых электростанциях, сжигающих уголь. Специалисты уверены, что ветряные турбины скоро будут усовершенствованы и станут эффективными. Так, Соединенные Штаты Америки к 2030 г. смогут получать 10 - 20% электроэнергии за счет данного источника.

Ветроэнергия при скоростях более 5 м/сек используется для выработки электроэнергии.

В России осваивается производство ветроэнергетических систем, состоящих из 10--15 установок мощностью до 1--2 МВт. Общие запасы ветроэнергии на территории России огромны, но пока из-за низкого КПД (0,25-0,7) и большой металлоемкости (до 500 кг/кВт) ветроустановки неконкурентоспособны с традиционными источниками.

Национальные программы освоения энергии ветра развернуты в Канаде, ФРГ, США, Франции, Швеции и других странах.

Преобразование энергии ветра в электричество составило в 80-е годы в мировом масштабе 1660 МВт, причем 85 % этой энергии было произведено в штате Калифорния, США. В частности, в районе калифорнийского города Алтамаунт-Пасс на принадлежащем фирме «Pasific Gas and Electric» комплексе действует 7500 ветроустановок, причем стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет 7 центов/кВт-ч (на современных ТЭС она составляет 5 центов/кВт-ч). При этом в установках Алтамаунт-Пасс применяются конструктивные и технологические решения большой давности, исключая использование композиционных материалов при производстве лопастей ветроагрегатов и микропроцессоров для контроля за работой генераторов. Их высокая эффективность была достигнута благодаря быстрому внедрению решений, неожиданно возникавших в процессе строительства и эксплуатации и продиктованных практической целесообразностью, что совершенно невозможно применить к крупным ТЭС и АЭС.

Что же касается более передовых достижений в ветроэнергетике, то в институте EPRI и на фирме «WindPower» (Ливермор, штат Калифорния) создали прототип ветровой энерготурбины переменной частоты вращения мощностью 300 кВт. Конструкция лопастей и внедрение электронной системы управления обеспечивают вращение ротора с оптимальной частотой в широком диапазоне скоростей ветра. Кроме того, установка отличается пониженным накоплением усталостных напряжений в материалах и невысокой стоимостью эксплуатации. Дальнейшее совершенствование аэродинамических и электронных компонентов ветроэнергоустановок, как полагают в Министерстве энергетики США, позволит в ближайшие 20 лет уменьшить стоимость вырабатываемой ими электроэнергии до 3,5 центов/кВт-ч с умеренными ветровыми ресурсами. С экономической точки зрения наиболее выгодно подключать ветроустановки к энергосистемам в периоды пиковых нагрузок (в Алтамаунт-Пасс и Солано, штат Калифорния на их долю приходится 50 % энергии пиковых нагрузок).

Ветровая энергия является относительно экологически чистой: проблема шума при работе и помехи в телевизионных каналах, создаваемые электростатическими зарядами на стальных лопастях, могут быть легко решены. Сложнее предотвращать гибель птиц на лопастях и устранить восприятие некоторыми людьми ветроустановок как чужеродных элементов пейзажа.

1.9 Водород

На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.

1.10 Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать инжекторы способные создавать мощные пучки нейтральных атомов, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.

Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся в стадии разработки и исследований, по-видимому, будет использовать реакцию синтеза дейтерия с тритием D + T = He + n, в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое условие для того, чтобы такая реакция пошла - это достижение высокой температуры смеси (сто миллионов градусов). Только в этом случае реагирующие частицы могут преодолеть электростатическое отталкивание и при столкновении, хотя бы на короткое время, приблизиться друг к другу на расстояние, при котором возможна ядерная реакция. При такой температуре смесь изотопов водорода полностью ионизируется и превращается в плазму - смесь электронов и ионов. Кроме высокой температуры, для положительного выхода энергии нужно, чтобы время жизни плазмы, t, помноженное на плотность реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt > 5*1 000 000 000 000 000 c/см3. Последнее условие называется критерием Лоусона. Основная физическая проблема, с которой столкнулись исследователи на первых шагах на пути к термоядерному синтезу - это многочисленные плазменные неустойчивости, приводящие к плазменной турбулентности. Именно они сокращали время жизни в первых установках до величины на много порядков меньше ожидаемой и не позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет исследований удалось найти способы борьбы с плазменными неустойчивостями и построить установки способные удерживать турбулентную плазму.