Принципы и технические проблемы использования ВИЭ возобновляемых источников энергии

М.М. Олешкевич

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Часть 1. Ветроэнергетика

Учебно-методическое пособие для студентов ВУЗОВ

Минск

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________

Кафедра " Электроснабжение"

М.М. Олешкевич

НЕТРАДИЦИОННЫЕ

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Часть 1. Ветроэнергетика

Учебное - методическое пособие для студентов

ВУЗОВ специальности 43 01 03 «Электроснабжение».

Минск

УДК 620.97 (О 75.8)

ББК 31.6 я 73

О 75

Олешкевич М.М. Нетрадиционные источники энергии: Учебно-методическое пособие для студентов высших учебных заведений специальности 43 01 03 «Электроснабжение» в 2 частях. (Часть 1) – Мн.: БНТУ 2007.-53с.

Пособие включает лекции по курсу «Нетрадиционные источники энергии», прочитанные в Белорусском Национальном Техническом Университете для студентов специальности «Электроснабжение». Рассматриваются проблемы и технические устройства по реализации энергии ветра, солнечной энергии, энергии биомассы, энергии океанов, геотермальной и гидроэнергии. В 1 часть входит раздел «Ветроэнергетика». Рассматриваются общие принципы. Приводятся контрольные вопросы и задачи и краткие методические указания по их решению.

Пособие предназначено для студентов ВУЗОВ специальности 43 01 03 - «Электроснабжение».

Рецензенты: Карницкий Н.Б.

ISBN 5-283-02469-5(рус.) Ó Олешкевич М.М., 2007

С О Д Е Р Ж А Н И Е.

Стр.

В.Введение. Понятие о нетрадиционных (возобновляемых) источниках энергии……………………..………….……

Часть 1.

1. Ветроэнергетика.………….…………………………..……

1.1. Характеристики ветра. Ветроэнергетические установки.............………………………………….....…..

1.1. Производство электроэнергии с помощью ВЭУ…………………………………………….……………

1.2. Генераторы ветроэнергетических установок………

1.3. Ветро – дизель – генераторная установка для питания автономных потребителей…………..…………………….

1.4. Перспективы ветроэнергетики в Беларуси

Часть 2.

2. Солнечная энергетика……………………………………..

2.1. Характеристики солнечного излучения……………

2.2. Солнечные нагревательные системы………………

2.3. Солнечные системы для получения электрической

энергии на основе термодинамического принципа ...…..

2.4. Фотоэлектрические генераторы………………..…..

3. Биоэнергетика. Биомасса как источник энергии…..….…

4. Геотермальная энергия…………………………………….

5. Энергия океанов……………………………….……….….

6. Гидроэнергетика…………………………………….……..

7. Энергия водорода…………………………………….…....

8. Энергосбережение……………………………………..…..

Литература…………………………………

В.ВВЕДЕНИЕ. ПОНЯТИЕ О НЕТРАДИЦИОННЫХ (ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ) ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ.

Традиционные источники энергии – уголь, газ, нефть, ядерное топливо – во все возрастающих масштабах добываются и сжигаются для получения энергии на электростанциях и на транспорте.

В 1960 году добыча энергоресурсов в мире составила 5 млрд. т.у.т.

В 1986 году добыто энергоресурсов более 10 млрд. т.у.т., произведено около 10 триллионов киловатт часов электроэнергии, из них в СССР- 1,6 триллиона кВт·ч, в Беларуси 0,035 триллиона кВт·ч (потребление- 0,05триллиона). На топливосжигающих электростанциях мира произведено 63,7% энергии, на ГЭС 20,4%, на АЭС 15,3%, на ГеоТЭС, ветроЭС, солнечных ЭС и др. 0,3%.

В 2000 году добыча энергоресурсов достигла 25 млрд. т.у.т., в том числе: 27% уголь , 35% нефть (5,5 млрд. т), 13% газ природный (2400 млрд. м³.), 13% ядерное топливо-уран, возобновляемые энергоресурсы 12% (1 т.у.т.- это 29,3 МДж/кг, газ-36 МДж/кг).

Запасы энергоносителей истощаются. По разным оценкам их хватит: газа на 50-100 лет, нефти- на 60-120 лет, угля - на 500 лет.

Предполагается, что к 2020 году добыча нефти возрастет до 8,4 млрд. т, а добыча газа- до 3600 млрд. м³.

Крупнейшие в мире топливосжигающие электростанции:

Сургутская-2-СССР-4 млн. кВт - топливо - природный газ

Касима - Япония-4,4 млн. кВт – уголь

Дрекс - Великобритания –4,3 млн. кВт – уголь, дизельное топливо

Нантикоук - Канада - 4 млн. кВт – уголь

Экибастузская-1-СССР-4 млн. кВт – уголь и т.д.

Крупнейшие атомные электростанции:

Брюс – Канада - 7 млн. кВт, 8 реакторов

Гравлин – Франция –5,7 млн. кВт, 6 реакторов

Палюэль – Франция – 5,4 млн. кВт, 4 реактора

Фукусима-1-Япония – 4,7 млн. кВт, 6 реакторов

Ленинградская - СССР – 4 млн. кВт, 4 реактора

Крупнейшие гидроэлектростанции:

Гурии – Венесуэла - р.Карони - 10,3 млн. кВт - 20 турбин

Итайпу – Бразилия – Парагвай - р.Парана - 7 млн. кВт -10 турбин

Гранд Кули – США - р. Колумбия-6,5 млн. кВт-13 турбин

Саяно – Шушенская ГЭС - СССР - р.Енисей - 6,4 млн. кВт

Красноярская ГЭС – СССР - р. Енисей - 6 млн. кВт - 12 турбин.

Потребность в освоении возобновляемых источников энергии объясняется возрастающим спросом на топливо (особенно на нефть и газ), ростом населения и требований к уровню жизни, а также ухудшающейся экологической обстановкой на планете вследствие сжигания топлива. Важным последствием освоения возобновляемых источников энергии может стать повышение военной безопасности на планете, потому что большинство войн и военных конфликтов 20 и 21 столетий возникали в борьбе за владение энергоресурсами. Население Земли составляет более 6 млрд. человек и возрастает на 2­¸3% в год. Население земли составляло в 1000году-0,3 млрд.чел., в 1500 - 0,446 млрд., в 1900 - 1,6 млрд., в1973 - 3,85 млрд., в 1982 - 4,6 млрд. в 2002 - 6 млрд. человек.

Среднее потребление электроэнергии в мире составляет около 2200 кВт. ч на человека в год (США - 9600 кВт. ч, Европа - 4000 кВт. ч, Африка - 960 кВт. ч). Среднее потребление электроэнергии в Беларуси - 3500 кВт. ч. При средних темпах роста национального дохода 2…5% ежегодно потребление энергии должно возрастать на 4…8%. Это достигается в основном развитием традиционной энергетики и особенно атомной, повышением эффективности использования энергии, а также развитием энергетики на возобновляемых источниках энергии.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде потоки энергии (солнечная энергия, энергия ветра, биомасса, геотермальная энергия, энергия океанов, гидроэнергия рек и др.). Структурная схема их использования характеризуется рис.В.1, где П – потребитель энергии, ПЭ – преобразователь энергии, энергоустановка, ОС – окружающая среда. Возобновляемые источники энергии – находятся в окружающей среде в виде потоков энергии, с низкой эффективностью и плотностью около 0,3…0,5 кВт/м² и ниже. Их запасы неистощимы и бесплатны. Стоимость оборудования 1000…2000долларов за 1кВт установленной мощности. Выходная мощность – нестабильна. Возможность применения – в зависимости от местных условий. Экономичны - небольшие системы. Главное применение – сельское хозяйство. Во время работы есть опасные зоны. Влияние на окружающую среду небольшое. Эстетичны.

Невозобновляемые традиционные источники энергии (НИЭ) – это природные запасы веществ, которые могут быть использованны для производства энергии (ядерное топливо, нефть, уголь, газ). Структурная схема их использования представлена на рис.В.1.

Невозобновляемые традиционные источники энергии находятся в сосредоточенных месторождениях, существуют в виде связанной потенциальной энергии. Они имеют высокую интенсивность 100 кВт/м² и более. Их запасы истощаются, а стоимость возрастает. Рис.В.1. Схемы потоков возобновляемой и невозобновляемой энергии.

Стоимость оборудования - высокая (500$¸2500$ за 1 кВт установленной мощности). Выходная мощность - стабильна. Использование без ограничений. Предпочтительны крупные системы. Применение – промышленность. Опасны – требуют специальных мер защиты. Зависят от поставок топлива. Загрязняют среду. При сжигании топлива в окружающую среду выделяются: углекислый газ, угарный газ, окислы серы, фосфора, разливы нефти, терриконы, которые являются причиной таких опасных явлений как парниковый эффект и кислотные дожди, не говоря уже о массовом отравлении населения, животного и растительного мира. Борьба за ресурсы явилась причиной почти всех войн, особенно войн 20 и 21 столетий.

Принципы и технические проблемы использования ВИЭ возобновляемых источников энергии.

Решение об использовании возобновляемого источника энергии принимается на основании многолетних наблюдений за состоянием окружающей среды в данном районе и анализа окружающей среды. Он включает: (а) анализ возобновляемых энергоресурсов, наличие высокого потенциала энергии ветра или солнечной энергии или биомассы, (2) анализ временных характеристик возобновляемого источника, (3) анализ потребителей и их характеристик, мощности, сезонности потребления и т.д. (4) анализ качества источника энергии, т.е. доли энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу, (5) комплексный подход в планировании энергетики на возобновляемых энергоресурсах, (6) наличие мощной энергосистемы и ее характеристики. Согласование источников энергии и потребителей должно обеспечить максимально полное использование энергии возобновляемых источников.

Для согласования источников (преобразователей) энергии и приёмниковиспользуются:

(1) схемы с отрицательной обратной связью, рис.В.2,

(2) схемы с накопителем энергии, рис.В.3,

(3) схемы с прямой связью между приёмниками и преобразователем, рис.В.4,

(4)схемы с параллельным включением энергоустановки на возобновляемых источниках энергии с энергосистемой, рис.В.5.

а) б)

Рис.В.2. а) Схема с отрицательной обратной связью ООС

б) Схема с накопителем энергии Н

а) б)

Рис.В.3.а) Схема с прямой связью преобразователя и приемников

б) Схема с параллельным включением энергоустановки на ВИЭ с энергосистемой

Вопросы.

1. Назовите возобновляемые и невозобновляемые (традиционные) источники энергии.

2. Охарактеризуйте возобновляемые источники энергии: их эффективность, стоимость оборудования на 1кВт установленной мощности, стабильность, возможности применения, влияние на окружающую среду.

3. Охарактеризуйте традиционные источники энергии: их эффективность, стоимость оборудования на 1кВт установленной мощности, стабильность, возможности применения, мировые запасы, влияние на окружающую среду.

4. В чем причины широкого распространения традиционных источников энергии, несмотря на их недостатки?

5. Нарисуйте и поясните схему преобразования энергии возобновляемого источника.

6. Нарисуйте схему преобразования энергии невозобновляемого источника. Сравните возобновляемые и традиционные источники энергии.

7. Как согласуются источники энергии и приёмники?

8. Нарисуйте схему согласования преобразователя энергии и потребителей с отрицательной обратной связью? В чём ее недостатки?

9. Нарисуйте схему согласования преобразователя энергии и потребителей с накопителем энергии. В чём ее преимущества?

10. Нарисуйте схему согласования с прямой связью между преобразователем энергии и приемником. В чём ее преимущества?

11. Как согласуются возобновляемые источники с потребителями при наличии связи с энергосистемой. Нарисуйте схему связи.

12. Назовите и охарактеризуйте крупнейшие в мире топливосжигающие электростанции, крупнейшие атомные электростанции, крупнейшие гидроэлектростанции.

13. Оцените потенциальные возможности нетрадиционной энергетики на возобновляемых источниках энергии, исходя из потребности 2 кВт на человека, с учётом возможного съёма 500 Вт мощности с 1м² поверхности земли.

14. Каково среднее потребление электроэнергии на душу населения в мире, в США, в Европе, в Африке?

15. Каково среднее потребление электроэнергии в Беларуси ?

16. Каково годовое потребление и производство электроэнергии в Беларуси?

17. Какова установленная мощность электростанций Беларуси? Назовите конденсационные и теплофикационные станции.

18. Какова структура потребления электроэнергии (промышленность, коммунально-бытовой сектор, транспорт, сельское хозяйство, строительство)? Каковы потери энергии?

19. Какова структура промышленного потребления электроэнергии Беларуси (машиностроение, химия и нефтехимия, топливная промышленность, электроэнергетика, строительные материалы, пищевая промышленность, лесная и деревообрабатывающая промышленность, черная металлургия).

20. В чем важность освоения возобновляемых источников для Беларуси?

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА