Биоконверсия солнечной энергии

Биомасса, если иметь в виду древесину, Солому, является одним из самых древних возобновляемых энергоресурсов, используемых человеком. В биомассе - зеленой массе растений, создаваемой в процессе фотосинтеза, - солнечная энергия запасается в виде химической энергии, которая может быть высвобождена различными путями. Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 3-1022 Дж. Эта цифра соответствует известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - 8%. В целом на Земле при помощи фотосинтеза ежегодно производится 173 млрд.т сухого вещества, что более чем в 20 раз повышает используемую в мире энергию и в 200 раз - энергию, содержащуюся в пище всех более 4 млрд, обитателей планеты. Запасенная в биомассе энергия органических соединений может быть использована непосредственно в виде пищевых продуктов человеком или животными или же для получения энергии в промышленных целях.

Сжигание

Древнейший способ прямого получения энергии из биомассы – это ее сжигание. Даже в настоящее время он является самым распространенным в сельской местности, где свыше 85% энергии получают именно этим путем

Биомасса как топливо имеет ряд достоинств. В отличие от ископаемого топлива при ее сжигании выделяется менее 0,1% серы и от 3 до 5% золы в сравнении 2-3 и 10-15% соответственно для угля. Количество углекислого газа, высвобождающегося при сжигании биомассы, компенсируется количеством углекислого газа, потребляемого при фотосинтезе. В результате содержание СО₂ в атмосфере остается неизменным.

Этиловый спирт (этанол)

Энергию можно получить из сельскохозяйственных культур, специально выращиваемых для этой цели. Это могут быть особые виды быстрорастущих деревьев, растения, богатые углеводами, из которых получают этиловый спирт (этанол). Для производства этилового спирта из такой растительной биомассы необходимо экстрагировать и подвергнуть гидролизу запасенные углеводы с последующим их сбраживанием в спирт. Из растений, продуцирующих этиловый спирт, наиболее широко используется сахарный тростник. Этанол из сахарного тростника в больших количествах производится в Бразилии. В связи с растущим дефицитом торгового баланса, вызванного резким увеличением цен на нефть в последние годы, в Бразилии было решено использовать в качестве автомобильного топлива не бензин, а чистый этанол и смесь этанола с бензином. По сравнению с бензином этанол обладает не только экономическими, но и техническими преимуществами, например более высоким октановым числом. Производство этанола путем ферментации сока сахарного тростника возросло с 900 млн.л в 1973 г. до 6 млрдл в 1992 г., из них 2,2 млрд.л пошли на получение смеси безводного этанола с бензином. Благодаря использованию эта-нолового топлива воздух в таких загрязненных городах, как Сан-Паоло и Рио-де-Жанейро, стал значительно чище.

Стоимость этанола, производимого на юге Бразилии, составляет в среднем 18,5 цента за 1 л. При такой стоимости он мог бы легко конкурировать с импортной нефтью, если бы цена на мировом рынке оставалась равной 24 долл. за баррель. Эффективная стоимость этанола может снизиться еще более, если пар, полученный при сжигании выжимок сахарного тростника, использовать для выработки электроэнергии. В настоящее время паровые турбины низкого давления способны производить около 20 кВт/ч, электроэнергии при сжигании выжимок, полученных из 1 т сахарного тростника. С помощью паровых турбин высокого давления можно было бы производить в 3 раза, а с помощью газовых - в 10 раз больше электроэнергии. Комбинации подобных технологий представляются весьма перспективными, и, благодаря им, сахарные заводы могут стать экспортерами энергии.

В США небольшое количество этанола, получаемого из зерновых, используется в качестве добавки к бензину. Этот этанол относительно дорог, однако в настоящее время разрабатывается технология получения сырья с использованием ферментов. Специалисты из научно-исследовательскрго института солнечной энергии считают, что к 2000 г. этанол, получаемый из дешевых источников, будет конкурентоспособен по отношению к бензину.

Биогаз

Другой способ производства энергии из биомассы состоит в получении биогаза. путем анаэробного перебраживания. Такой газ представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительного количества азота и водорода. Метановое "брожение", или биометаногенез, -давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Бездымное горение болотного газа причиняет людям гораздо меньше неудобств по сравнению со сгоранием дров и навоза. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.

Биогаз дает возможность использовать самые современные средства теплоэнергетики - газовые турбины, В этих установках газ сгорает, приводя в движение турбину, которая вращает генератор, производящий электроэнергию. В свою очередь газообразные продукты сгорания затем направляются в котел для нагревания воды и получения пара, который может быть использован в промышленности или для дополнительного производства энергии.

Газовые турбины проще и дешевле традиционных паровых. В то время как у последних эффективность не улучшалась с конца 50-х годов, газовые турбины непрерывно совершенствуются.

Наиболее многообещающим вариантом использования биомассы в газовых турбинах является ее газификация при взаимодействии с воздухом и паром при высоких давлениях и очистке газа от примесей, которые могут повредить лопасти турбин. Для повышения эффективности процесс газификации и производство электроэнергии следует смещать в одной установке. Такая технология разрабатывается сейчас для угля. Однако эта технология может даже быстрее найти коммерческое применение с использованием биомассы, нежели угля, так как биомассу легче газифицировать и она обычно содержит малое количество серы. Предварительные оценки показывают, что энергия, полученная на установке с газофи-цированием биомассы и газовбй турбиной, по стоимости может быть сравнима с электроэнергией, производимой на обычных угольных или ядерных электростанциях в большинстве промышленных и развивающихся стран.

Одним из направлений при получении биогаза является использование органических отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности. Производство биогаза в процессе метанового брожения - одно из возможных решений энергетической проблемы сельскохозяйственных районов. Перспективы этого направления весьма многообещающие. Действительно, если 300 млн.т сухого вещества, содержащегося в навозе, превратить в биогаз, то выход энергии составит 33 млн.т нефтяного эквивалента. Производство можно также увеличить за счет таких сельскохозяйственных отходов, как солома, жом сахарного тростника и др. В Индии с 1980 по 1984 гг. был построен 1 млн. небольших установок для производства биогаза, удовлетворяющих потребности в энергии от дельных семей.

Производство биогаза из сельскохозяйсвенных отходов во все более возрастающих масштабах осуществляется также в Китае. Так, уже в конце 1978 г. здесь работало 7,15 млн. установок для получения биогаза - в 15 раз больше, чем в 1975 г. К 1980 г. было построено еще 20 млн., а к 1985-70 млн, что позволяет 70% крестьянских семей использовать биогаз для приготовления пищи.

Преимущество производства биогаза из сельскохозяйственных отходов заключается в том, что они являются средством получения энергии, доступным даже на семейном уровне. Отходы процесса служат высококачественным удобрением, а сам процесс способствует поддержанию чистоты в окружающей среде. Однако количество биомассы данного вида ограничено земельной площадью, на которой осуществляется сельскохозяйственная деятельность. Существенное увеличение пригодных для культивирования площадей вряд ли реально. Вместе с тем имеется возможность использовать для получения биомассы водную среду, а именно - осуществлять культивирование водорослей, в частности микроводорослей.

Итак, достоинством биогаза можно считать следующее: возможность получения его из бросового сырья (сельскохозяйственных, промышленных и городских углеродосодержащих отходов), попутное получение при этом высокоэффективных удобрений и кормовых добавок, очистка сточных вод. Недостатками получения и потребления биогаза являются расход кислорода и выброс углекислого газа при сжигании биогаза, неуправляемость и длительность процесса брожения, необходимость иметь емкости значительного объема для осуществления процесса брожения.

Солнечные печи

В принципе, используя достаточно большие концентраторы, можно получить в их фокусе очень высокую температуру, Подобные системы лежат в основе так называемых солнечных печей.

Замечательные возможности солнечно-зеркальной энергетики предвидел К. Э. Циолковский. Он писал, что в космическом пространстве "можно непосредственной силой Солнца с помощью зеркал и стекол получить огненные очаги любой величины с температурой от 273 градусов холода до 6000 градусов тепла. Преобразованием солнечной энергии... можно получить до 20000 градусов и более. В первые послевоенные годы в Ташкенте можно было увидеть чащу десятиметрового параболоида, покрытую квадратиками зеркал. В течение многих лет гигантский железобетонный подсолнух возвышался над корпусами консервного завода, питая его тепловой энергией. В уникальной по тем временам установке температура в фокусе превышала 1000°С. Современная солнечная печь диаметром 10 м, работающая в армянском отделении ВНИИТ, выполнена из зеркал-фацет, которые установлены на металлическом каркасе. Солнечное излучение подается в печь от гелиостата, следящего за солнцем. Зеркало солнечной печи установлено над гелиостатом и развернуто к земле таким образом, чтобы оптическая ось была вертикальной. Это позволяет проводить плавки в вертикальных тиглях. В фокусе концентратора температура достигает 2000°C. Подобные установки перспективны для решения многих практических задач.

Принцип зеркал-фацет применен в более значительных конструкциях. На юге Франции, вблизи селения Одейо, построена солнечная печь. Северная стена девятиэтажного здания представляет собой параболическое зеркало. Размеры его внушительны - 40x50 м, но состоит оно из слегка закругленных зеркальных элементов. Их здесь 9500. Перед зданием на площади 3000 м разместилось 63 подвижных плоских зеркала (гелиостатов) площадью 45 м2 каждое. Они направляют солнечные лучи на параболическое зеркало, фокальная зона которого имеет диаметр около 40 см, температура в зоне пятна достигает 3800°С. Отдельными элементами солнечной печи управляет ЭВМ.

В СНГ уже построено и строятся несколько мощных солнечных печей - в Ташкенте, Ереване, Крыму и других местах. В них можно получить рабочие температуры от 2500 до 4000°С. Применение солнечных печей может очень многое дать науке и технике. Сегодня мы вправе говорить о рождении новых областей - гелиохимии и гелиометаллургии. Дело в том, что по сравнению с "классическими" печами солнечные печи обладают рядом существенных преимуществ. Прежде всего они дают возможность получить резкий скачок температуры. Скорость "теплового удара" в них превышает тысячу градусов в секунду. Во-вторых, расплавленное вещество не соприкасается ни с топливом, ни с угольными электродами, которые обычно являются источниками загрязнения продуктов плавки. Проникновению примесей из формы, неизбежному при любых иных способах плавки, препятствует то, что сконцентрированный солнечный луч может плавить вещество в узкой зоне - как бы в форме из того же вещества. Можно вести плавку в окислительной или восстановительной атмосфере. Все это важно для получения особо чистых металлов и сплавов, для производства редкоземельных металлов, например скандия, иттрия, лантана, которые удается выделить из их окислов только при температуре более 2000°С и при условии, что источник энергии не выделяет загрязнений. Высокотемпературные солнечные установки дадут возможность выплавлять особо чистое стекло для волоконной оптики, способной произвести революцию в технике связи. Солнечные печи очень удобны для порошковой металлургии, для получения химически чистых и тугоплавких материалов, применяемых в авиации, космонавтике и ядерной энергетике.

Важное преимущество солнечных печей состоит в том, что их эксплуатация не оказывает вредных .воздействий на окружающую среду.

Ветроэнергетика

Энергия ветра, так же как и солнечная, относится к возобновляемым энергоресурсам. Иногда в быту можно услышать такой термин относительно солнечной и ветровой энергии - даровая, неисчерпаемая, У людей, живущих в местностях, где постоянно дуют ветры, возникала естественная мысль о полезном использовании энергии. Ведь все так просто - поставь ветряк и получай энергию для жилища, освещения маяка, подъема воды из артезианской скважины или других целей - возможности полезного использования энергии разнообразны.

Вот такое сообщение появилось в печати более 100 лет назад в 1887 году: " У Гаевского маяка близ Гавра (Франция) ставят колоссальный ветряной двигатель с целью утилизировать силу ветра для вращения динамоэлектрической машины. Двигатель этот американской системы. Крылья его имеют 12 м в диаметре И весьма прочный станок, в котором на каменном фундаменте, скрепленном железными связками, покоится ось. Ток динамомашины предполагаегся сначала собирать в аккумулятор и потом уже употреблять его для получения света. Так как на берегу моря безветренные дни редки, то надеются, что количество добываемого этим способом электричества всегда более достаточно для освещения маяка".

Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5-6 кВт экономически оправдано при скорости ветра, превышающей 3,5-4,0 м/с. Для больших установок требуется скорость ветра 5,5-6,0 м/с.

Из зарубежных данных видно, что для сооружения ветровой энергетической установки мощностью в несколько мегаватт предпочтительны районы со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с на высоте размещения ветроколеса. Приведем данные о скорости ветра для отдельных районов России ( 40). Скорости ветра 8 м/с и более наблюдаются в следующих пунктах России (в скобках указаны значения среднегодовой скорости ветра на высоте 10 м в м/с): Амдерма (8,0), Мархотский перевал в Краснодарском крае (9,3), мыс Желания в Архангельской области (8,0), Пестрая Дресва на Магадане (9,0), Симутир на Курильских островах (10,4), Сюркуль в Хабаровском крае (10,4), гора Эльбрус (8,7). Скорости ветра от 7 до 7,9 м/с характерны для следующих пунктов; Анадырь (7,6), Вайда-Губа в Мурманской области (7,5), Ванкарем (7,9), Гижига в Магаданской области (7,9), Колюгино на Чукотке,(7,4), Кресты на Таймыре (7,3), Петропавловск-Камчатский (7,0), Шумшу на Сахалине (7,9).

В то же время в районах восточнее реки Енисея до побережья Охотского моря преобладают ветры слабой интенсивности - от 1,5 до 3,5 м/с; только на самом побережье она повышается.

Из этого перечня можно увидеть определенную закономерность -высокие скорости ветра характерны для морских побережий и горных перёвалов. Эта закономерность подтверждается также зарубежными исследователями. Например, западногерманские специалисты, изучавшие возможность создания системы мощных ветровых электростанций в Германии, сообщает о том, что скорости ветра на Балтийском побережье Германии находятся в интервале 6-7,5 м/с, во внутренних же районах эти значения меньше. Одновременно они приводят данные о периоде затишья. Оказалось, что периоды затишья (штиля) наблюдаются, как правило, летом, на морском побережье Германии продолжительностью 7-10 ч, во внутренних районах страны - 16-30 ч максимально до 130 ч. Эти же специалисты указывают еще на одну деталь при определении скорости ветра.

Систематические метеонаблюдения и определения скорости ветра ведут, как правило, на высоте 10 м, а ветроколесо расположено на высоте 100 м. По этой причине нахождение расчетной скорости на высоте 100 м осуществляется путем экстраполяции, которая не всегда дает надежные результаты. Экономически приемлемой считается работа ветровой установки в течение примерно 2500 ч/год Сразу же возникает вопрос: что делать потребителю в то время когда, ветра нет или его скорость недостаточна для обеспечения работы установки? В этом случае имеется несколько возможностей. Одна из них - использование резервного источника энергии, в частности подключение другой энергосистемы-Другой вариант предусматривает работу ветровой установки в комбинации с аккумулятором энергии] (механическим, тепловым или электрическим). Зарубежные специалисты отмечают, что только аккумулирование энергии одной или нескольких ветровых установок экономически невыгодно. Целесообразно применять аккумуляторы ветровой установки в комбинации с энергосистемой, причем рекомендуется иметь их электроемкость 1-2 кВт/ч на 1 кВт установленной мощности ветровой установки. Наконец, третий вариант - это комбинация ветровой и солнечной электростанции^ которые в принципе могут резервировать друг друга.

Принципы преобразования ветровой энергии

С помощью ветроэнергетической установки в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Ев, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока Е называется коэффициентом мощности, или коэффициентом использования энергии ветра

В большинстве конструкций ветроэнергетических установок для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используется принцип подъемной силы крыла ( 41).

Если лопасть, имеющая профиль крыла, омывается ламинарным потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха в нижней и верхней части лопасти возникает разное давление и на лопасть действует подъемная сила F и сила лобового сопротивления Р. При разработке профиля стремятся к тому, чтобы сила F была максимальной, а сила Р -минимальной. Сила Fi обеспечивает перемещение лопасти в плоскости ее вращения, сила F2 воспринимается опорой. Угол р между хордой лопасти и направлением движения лопасти называется. углом установки, угол у между хордой и направлением относительной скорости ветра w' - углом атаки. Угол р зависит только от ориентации лопасти, угол у - от скорости ветра и скорости перемещения лопасти. Скорость v перемещения элемента лопасти зависит от расстояния г этого элемента, от оси вращения и от частоты вращения

Таким образом, при фиксированном угле установки угол атаки у на разных участках лопасти оказывается разным. Чтобы выдержать угол атаки в пределах оптимального, прибегают к закрутке лопасти по его длине. В большинстве современных ветровых турбин с помощью специальных устройств (центробежных, гидравлических и других) обеспечивается возможность поворота всей лопасти или ее части, изменения за счет этого угла атаки и регулирования мощности на валу по заданному закону.

Ветровые турбины различных типов имеют существенно отличающиеся зависимости коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности

Достоинства и недостатки ветроэнергетики

Каковы недостатки ветровых энергетических установок?

Прежде всего их работа неблагоприятно влияет на работу телевизионной сети. Вот какой любопытный пример можно привести в этой связи. Несколько лет тому назад от жителей Оркнейских островов (Великобритания) стали поступать необычные жалобы. Оказалось, что при работе ветровой станции, построенной на одном их холмов, возникают такие сильные помехи в работе телевизионной сети, что на экранах телевизоров пропадает изображение. Выход нашли в строительстве рядом с ветровой установкой мощного телевизионного ретранслятора, который позволил усиливать телевизионные сигналы. По имеющимся данным, ветровая энергетическая установка мощностью 0,1 МВт может вызвать искажение телевизионных сигналов на расстоянии до 0,5 км.

Другая неожиданная особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.

Однако главный недостаток этого вида энергии наряду с изменчивостью скорости ветра - это низкая интенсивность, что требует значительной территории для размещения ветровой установки. Из проведенных специалистами расчетов следует, что оптимальным для ветрового колеса является диаметр 100 м. При таких геометрических размерах и плотности энергии на единицу площади ветрового колеса 500 Вт/м2 (скорость ветра 9,2 м/с) из ветрового потока можно получить электрическую мощность, близкую к 1 МВт. На площади 1 км2 можно разместить 2-3 установки указанной мощности с учетом того, что они должны находиться одна от, другой на расстоянии, равном трем их высотам, чтобы не мешать друг другу, и не снижать эффективности своей работы.

Примем для оценки, что на площади 1 км2 размещено 3 установки, т.е. с 1 км2 можно снять 3 МВт электрической мощности. Это означает, что для размещения ветровой станции электрической мощностью 1000 МВт нужна площадь, равная ' 330 км2. Если сравнивать ветровые и тепловые электростанции по энерговыработке в течение года, то полученное значение следует увеличить не менее чем в 2-3 раза. Для сравнения укажем, что площадь Курской АЭС мощностью 4000 МВт вместе с вспомогательными сооружениями, водоемом-охладителем и жилым поселком составляет 30 км2, т.е. на 1000 МВт электрической мощности приходится 7,5 км2. Другими словами, размер территории ветровой станции в расчете на 1000 МВт на 2 порядка превышает площадь, занимаемую современной АЭС.

Приведенная оценка расхода земельных ресурсов для размещения мощной ветровой электростанции, во первых свидетельствует о необходимости тщательного выбора площадки для нее, имея в виду использование бросовых земель, не пригодных для сельскохозяйственного оборота; во-вторых, ставит вопрос о целесообразности сооружения менее мощных ветровых станций для снабжения энергией небольшого района или населенного пункта. Создание таких электростанций (вместе с аккумулятором энергии) может оказаться полезным для электрообеспечения отдаленных поселков и деревень, а также различных сельскохозяйственных работ.

Несмотря на это, отдельные ученые считают, что следует развивать крупномасштабную ветроэнергетику. Перед войной у нас в стране только в колхозах и совхозах работало более 8000 ветровых установок. В 1930г. на базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был создан Центральный ветроэнергетический институт, в 1938 г. было организовано конструкторское бюро по ветровым энергетическим установкам. В предвоенные годы и после войны было разработано и выпущено довольно большое число (примерно 10 тыс.шт.) разнообразных ветровых установок. Интенсивная работа по использованию энергии ветра ведется в ряде зарубежных стран.

Итак, можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, элекрическую), но при этом низкая плотность энергии, приходящейся на единицy площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в .течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о технической осуществимости и целесообразности сооружения и эксплуатации ветровых энергетических установок небольшой мощности для удаленных поселков и отгонных пастбищ, а также в аграрном секторе.

Ветроэлектрическая станция - установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Состоит она из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания. На период безветрия ветроэлектрическая станция имеет резервный тепловой двигатель. Различают крылатые ветродвигатели с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные и роторные, с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные. Ветродвигатели применяют в ветроэнергетических установках, которые состоят из ветроагрегата, устройства, аккумулирующего энергию или резервирующего мощность, и систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки. Различают ветроэнергетические установки специального назначения (насосные или водоподъемные, электрически зарядные, мельничные, водоопреснительные и т.п.) и комплексного применения (ветросиловые и ветроэлектрические станции). Мощность ветроэнергетических установок - от 10 до 1000 Вт.