Нетрадиционные виды энергии

1. Классификация нетрадиционных видов энергии

Энергетический кризис способствовал повышению интереса к новым видам энергоресурсов, которые получили название нетрадиционных или альтернативных. Доля их в структуре мирового потребления первичных энергоресурсов с каждым годом растет. К нетрадиционным источникам энергии относят энергию Солнца, ветра, приливов, морских волн, геотермальную и термоядерную энергию. Особые надежды связывают с использованием водорода, так как он является наиболее перспективным энергоносителем. Однако его промышленное получение обходится пока очень дорого.

Рис. 1. Гейзер в Йеллоустонском парке (источник горячей подземной воды)

Все больше исследований направлены на практическое применение геотермальной энергии, использованию тепла Земли. Ее можно использовать двумя способами. Во-первых – подача горячих подземных вод для обогрева зданий и сооружений. В наши дни наибольшее значение этот путь имеет для Исландии. Для этой цели в столице государства Рейкьявике начиная с 30-х годов создана система трубопроводов, по которым вода подается потребителям. Благодаря геотермальной энергии, которая идет на отопление теплиц, Исландия полностью обеспечивает себя яблоками, помидорами и даже дынями и бананами. Во-вторых, применять геотермальную энергию можно путем строительства геотермальных станций. Самые крупные из них построены на Филиппинах, в США, Мексике, Японии, Италии, Новой Зеландии, России (в Долине Гейзеров на Камчатке).

Трудно представить себе жизнь человечества без Солнца. Хорошо известно, что современная энергетика мира в значительной степени базируется на запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии, аккумулированной в минеральном топливе. Однако создание солнечных электростанций позволило человечеству использовать энергию в гораздо большем объеме. Наиболее преуспели в гелиоэнергетике (от греч. helios – солнце) Франция, Италия, США, Япония, Бразилия. Построена солнечная электростанция в Крыму.

Рис. 2. Фотоснимок солнца

С давних пор служила человечеству энергия ветра. Еще 2 тыс. лет назад работали примитивные ветряные двигатели. Повышенный интерес человечества к энергии ветра сегодня объясняется энергетическими затруднениями, возникшими в последние годы. Небольшие ветровые электростанции работают почти во всех странах мира. Конструированием и промышленным выпуском современных ветряных установок занимаются сейчас Франция, Дания, США, Великобритания, Италия. Очень важной проблемой в использовании энергии ветра является малое содержание энергии в единице объема, непостоянство силы и направления ветра, поэтому перспективно использовать ветер в странах, находящихся в районах постоянных направлений ветра.

Рис. 3. Изображение силы ветра

Использование энергии волн мирового океана и морей находится в общем пока еще на стадии эксперимента. Энергией приливов успешно пользуются во Франции, США, Канаде, России и Китае. Здесь построены приливные электростанции. К нетрадиционным источникам энергии можно отнести также получение синтетического горючего на основе угля, сланцев, нефтеносных песков.

2. Солнечные батареи

Каркасный солнечный модуль обычно выполнен в виде панели, которая заключена в каркас из анодированного алюминия. Лучевоспринимающая поверхность защищена закаленным стеклом. В качестве фотопреобразователей используется монокристаллический кремний.

Солнечная батарея (модуль) состоит из нескольких секций солнечных элементов, преобразующих световую энергию в электричество. Каждая секция защищена от воздействия окружающей среды полимерными пленками и снабжена жесткой подложкой, которая обеспечивает устойчивость к механическим воздействиям. Все секции соединены между собой гибкими элементами, образуя полотнище, которое может складываться для удобства транспортировки и хранения.

Рис. 4. Солнечные батареи

Рис. 5. Солнечные батареи на крыше дома

Существуют также и малогабаритные устройства, позволяющие экономить энергию, получаемую из сети. Например портативное зарядное устройство на солнечных элементах. Предназначено для подзарядки мобильных телефонов, GPS, КПК, МР-3, и CD плейеров, радиостанций, спутниковых телефонов и других электронных устройств с номинальным напряжением аккумуляторных батарей 4,5-19 вольт. В качестве фотопреобразователей используется аморфный кремний. Данное устройство освобождает от использования стационарных иил громоздких источников энергии альпинистов, охотников, рыболовов, для туристов, служб спасения и другим пользователям. Изготавливается в виде складной панели и работает как маленькая электростанция, превращая солнечную энергию в электрическую. Солнечные элементы покрыты прочным и долговечным полимерным материалом, просты и безопасны в эксплуатации. Не содержат хрупких компонентов: стекла или кристаллического кремния и могут эксплуатироваться при температуре окружающей среды от -30 до +50 С.

Рис. 6. Внешний аккумулятор Xtreme 12000 мА*ч на солнечных элементах

Использование энергии Солнца не ограничивается производством электрической энергии. Система на базе солнечных вакуумных коллекторов позволяет получать тепловую энергию, а именно производить нагрев воды до заданной температуры, путем поглощения солнечного излучения, преобразования его в тепло, аккумуляции и передачи потребителю.

Система состоит из двух основных элементов:

— наружного блока – солнечных вакуумных коллекторов;

— внутреннего блока – резервуара-теплообменника.

Рис. 7. Плоский солнечный коллектор MFK 001 фирмы Meibes

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов, при степени вакуума 10^-5¸ 10^-6, составляет 98 %. Солнечные батареи устанавливаются непосредственно на крыше зданий таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши для сбора энергии. Коллектора монтируются под любым углом, от 0 до 90 градусов. Срок службы вакуумных коллекторов – не менее 15 лет.

Резервуар-теплообменник представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания исохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной радиации. Нагретая таким образом вода, поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Рис. 8. Резервуар теплообменник

Микропроцессорный блок управления предназначен для контроля температуры в солнечном коллекторе и резервуаре- теплообменнике, а также для выбора, в зависимости от величины этих температур, оптимального режима работы системы в течение суток. При этом контроллер регулирует поток теплоносителя через теплообменник, определяет направление подачи тепла (на ГВС или на отопление), управляет работой базового отопителя.

В ночное время автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить среднегодовую экономию энергоносителей до 50 %.

3. Ветроэлектрические установки

Ветроэлектрические установки – это установки, предназначенные для выработки электроэнергии за счет ветрового потока. Они могут использоваться в отдаленных и изолированных местах, в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями, где отсутствует централизованное электроснабжение или его подача нерегулярна. Например, ветроэлектрическая установка может обеспечивать потребителей электроэнергией для питания бытовых приборов, ламп освещения, устройств бытовой и специальной связи, линий теле- и радиокоммуникаций, устройств спутниковой и сотовой связи компьютера, передвижных и стационарных пунктов навигационных и метеорологических постов, радиостанций, маяков и радиомаяков, медицинской и научной аппаратуры, водяных насосов, для обеспечения зарядки аккумуляторов и т. д. В условиях отсутствия ветра электропитание потребителей и их работоспособность обеспечивается аккумуляторной батареей. Подключение инвертора к блоку управления позволяет преобразовать постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В.

Рис. 9. Ветроэлектрические установки А класса

Ветроэлектростанция – автономная, надежная, автоматическая установка, не требует дежурного персонала в процессе эксплуатации и предназначена для автономного энергообеспечения индивидуальных потребителей (дачников, садоводов, вахтовиков, охотников, фермеров, рыболовов, геологических экспедиций), а также навигационных, метеорологических, радиорелейных и других постов в обеспечении бесперебойным питанием в полевых условиях.

Рис. 10. Схема ветроэлектрических установок

4. Микро ГЭС

Мини и микро гидроэлектростанции получили большую популярность среди населения. И в тех местностях, где присутствуют небольшие водоемы, установка мини, или микро ГЭС станет превосходным решением для автономного или резервного электроснабжения.

На сегодняшний день использование мини и микро ГЭС позволяет сэкономить расходы на электроэнергию, или же, стать полностью энергонезависимым. Мини и микро ГЭС имеют множество преимуществ, самое главное из которых – экологичность. Так, в отличие от больших плотинных ГЭС, эти станции никак не влияют на окружающую среду – качество воды, направление и скорость потока, развитие биосистемы в воде и на окружающих землях. Кроме того, мини или микро ГЭС – это надежный, компактный и быстро окупаемый источник электроэнергии, который доступен каждому. Для его работы нужен только ток воды – это может быть ручей, река, перепад уровней в озере, ирригационная система, сточные воды и так далее.

Рис. 11. Микро-ГЭС для автономного домашнего использования

Мини и микро ГЭС имеют преимущество и перед другими альтернативными источниками энергии – ветряными и солнечными электростанциями. Дело в том, что для работы ГЭС не важны погодные условия (конечно те которые не влияют на ток воды). Для многих районов важным является и то, что мини и микро ГЭС могут значительно уменьшать вред ежегодных паводков, за счет регуляции уровня воды в водоеме. Мини и микро ГЭС – это превосходное решение для удаленных от линий электропередач поселков, хозяйств, мельниц. Часто такие станции устанавливают в горных или труднодоступных районах.

Мини и микро ГЭС выпускаются различных конфигураций, габаритов и мощностьи. Так, мини ГЭС – это электростанция с мощностью до 5000 кВт, а микро ГЭС – от 3 до 100 кВт, и мини, и микро ГЭС могут быть радиально-осевыми, поворотно- лопастными, пропеллерными, или ковшовыми. Выбор турбины зависит от напора потока. Например, при напоре потока 2-40 м используют пропеллерные или поворотно-лопастные ГЭС, при напоре 10-350 м – радиально-осевые, при напоре 50-1300 м – ковшовые турбины.

Мини и микро ГЭС могут работать в автономном режиме (используется синхронный генератор), или параллельно с сетью (асинхронный генератор). Кроме того, при автономной работе ГЭС в комплект должен входить блок балластной нагрузки – для рассеивания неиспользуемой мощности.

Установка мини и микро ГЭС, как и установка других альтернативных электростанций осуществляется на основании всестороннего исследования местности, выяснения условий эксплуатации и нужд в электроснабжении. После сбора и анализа всех данных подбирается оптимальный вариант ГЭС. Далее составляется технический проект и другая документация. После того как будет готов полный пакет документов приступают к монтажу ГЭС и созданию местной электросети. Последний этап – пусконаладочные работы и сдача объекта в эксплуатацию.

5. Биоэнергетические установки

Биоэнергетические установки – это установки переработки методом метанового сбраживания (без доступа кислорода) отходов сельскохозяйственного производства (бытовые отходы, навоз, помет птицы, фекалии, отходы пищевой промышленности и т. п.).

В результате переработки образуются два полезных продукта:

• горючий газ (биогаз), представляющий собой смесь метана (до 70%) и углекислого газа (до 30%);
• органическое удобрение.

Использование продуктов переработки:

• биогаз используется для получения тепловой и/или электрической энергии;
• установка полностью энергонезависима, потребление энергии от внешних источников отсутствует;
• жидкое органическое удобрение экологически чистое, концентрированное (используется при разбавлении 1:20);
• жидкое органическое удобрение не содержит патогенов, всхожих семян сорняков;
• жидкое органическое удобрение используется на любых почвах под любые культуры;
• на собственные нужды потребляется не более 20% вырабатываемого газа.

Рис. 12. Схема биоэнергетического комплекса

Достоинства установки:

• полная утилизация отходов;
• полная автоматизация процесса;
• производства из отходов дешевого топлива;
• производство из отходов органических удобрений;
• улучшение экологической обстановки.

6. Газопоршневые электростанции на генераторном газе

Одним из наиболее эффективных, универсальных и простых способов преобразования местных топливно- энергетических ресурсов: древесина, торф, угли различных марок, кокс, горючие сланцы, различного рода сельскохозяйственные отходы (отходы растениеводства, животноводства и переработки) в удобный вид топлива является газификация.

Рис. 13. Газопоршневая электростанция MWM TCG 2020 OLS

С каждым годом интерес к газификации различных топлив только возрастает, это обусловлено целым рядом причин:

• уменьшение по многим оценкам в перспективе роста добычи традиционного ископаемого жидкого и газообразного топлива;
• резкий и непрекращающийся рост цен на традиционное топливо;
• введение экологических квот на вредные выбросы;
• ориентация на увеличение использования твердого топлива для производства тепловой и электрической энергии.

Газогенераторный энергокомплекс для производства электроэнергии состоит из газификатора твердого топлива, системы подготовки и очистки генераторного газа и газопоршневой электростанции, адаптированной для работы на генераторном газе.

Газификатор предназначен для получения генераторного горючего газа, который можно использовать для сжигания в котлах, а также выработке электроэнергии в газопоршневых электростанциях. В случае производства только тепловой энергии состав энергокомплекса существенно уменьшается и в него входит газификатор твердого топлива и теплогенератор (воздухонагреватель, водогрейный котел или парогенератор).

7. Подводный электропреобразователь гравитационной энергии

Российскими учеными в результате модернизации известного водоподъемного устройства под названием «гидротаран» (рисунок 14), было изобретено другое водоподъемное устройство, представляющий собой, новый преобразователь потенциальной энергии воды, который, является, по сути, новым источником неисчерпаемой экологически чистой и мощной энергии.

При полном погружении в воду на достаточную глубину, он трансформирует глубинное статическое давление воды в пульсирующую по времени струю воды с более высоким, чем на данной глубине напором. В водозаборное отверстие преобразователя вода под глубинным давлением сама втекает, а с другой стороны из выходного отверстия с еще большим напором вытекает. Данный преобразователь можно использовать, как глубинный насос, как пульсирующий водяной реактивный движитель и как источник электрического тока, если к выходному отверстию присоединить гидротурбину с электрогенератором. При этом его особенностью является то, что для работы не требуется ни грамма привычного топлива или какой-нибудь подведенной дополнительной энергии.

Рис. 14. Гидротаран

Описанный выше преобразователь одинаково подходит для эксплуатации в пресной и морской воде, в неподвижной и в движущейся воде, в озерах и бассейнах, в искусственных резервуарах. При разовом запуске он работает с постоянными параметрами вне зависимости от времени суток и климатических условий без остановки в течение многих лет.

При использовании данного преобразователя в сочетании с гидротурбиной и обычным электрогенератором, то есть при использовании в генерирующей электроэнергетике, на глубине погружения в воду на 15 метров с одного квадратного метра площади водозаборного отверстия можно получить выходную электрическую мощность ~0,75 МВт, а на глубине 300 метров – выходную электрическую мощность ~30 МВт. Исследования показывают, что возможная электрическая мощности увеличивается пропорционально глубине погружения преобразователя в воду. Это позволяет при достаточно большой площади водозаборного отверстия, либо при одновременном использовании нескольких установок объединенных в один блок, получать практически любую требуемую выходную мощность электрического тока. При этом для электростанции любой мощности потребуется всего лишь подземный или наземный резервуар, один раз, полностью наполненный водой, имеющий площадь не более 8м²/МВт и высоту воды не менее 15 метров. Таким образом, может быть создана принципиально новая резервуарная электростанция, способная заменить любую тепловую и атомную электростанцию. Электрогенератор Huter DY6500L.

Возможно также настроить преобразователь таким образом, что при прохождении через него воды он сможет нагревать ее без потерь энергии и производить электроэнергию. В частности, например, вертикальный единичный модуль мощностью 500 кВт расположенный на глубине 20 метров при определенных конструктивных начальных параметрах, и отсутствии мер к охлаждению окружающей воды может уже через 4 часа работы нагреть окружающую его воду в соответствующем подземном или наземном резервуаре с температуры +15 °С до температуры + 75 °С. Таким образом, он может эффективно использоваться для отопления помещений.

8. Геотермальная энергия (энергия земли)

Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси.

Рис. 15. Первый тип источников геотермальной энергии – подземные бассейны естественных теплоносителей

По существу, первый тип источников – это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин.

Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно на выходе получить пар или горячую воду для дальнейшего использования в энергетических целях. Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т. п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).

Рис. 16. Второй тип источников геотермальной энергии

9. Энергия Мирового океана

Энергия Мирового океана представлена энергией прибоя, волн, приливов, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т. д.

Приливные волны несут в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт. Растет интерес специалистов к приливным колебаниям уровня океана у побережий материков. Энергию приливов на протяжении веков человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР. Приливная энергия постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.

Рис. 17. Макет устройств по переработке приливной энергии на электрическую

Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. Велики также запасы приливной энергии в Тихом и Северном Ледовитом океанах. При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать их экологическое воздействие на окружающую среду, так как оно довольно велико. В районах сооружения крупных ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в акватории станции, что может серьезно отразиться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год.

10. Плюсы и минусы нетрадиционных возобновляемых источников энергии

Как мы поняли к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн, биомассы, низкопотенциальную энергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных, более крупных ГЭС, только масштабом.

Приведенные выше источники энергии имеют свои положительные и отрицательные свойства.

К положительным можно отнести:

• распространенность большинства их видов;
• экологическая чистота;
• эксплуатационные затраты по использованию
• нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников условно бесплатная.

К отрицательным свойствам можно отнести:

малую плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ.

Первое свойство НВИЭ заставляет создавать большие по площади энергоустановки, поглощающие и использующие поток энергии (площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций приемные поверхности солнечных установок, и т. п.). Это приводит к большой потребности в материалах подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они сильно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Еще больше неудобств доставляет непостоянство и изменчивость во времени производимой такими установками энергии. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Рис. 18. ГеоТЭС Несьявеллир, Исландия

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки).

Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15 % (по мощности).

Если говорить о «бесплатности» большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.