Возобновляемые источники энергии

Содержание

Введение 3

Плюсы и минусы ВИЭ 4

Ветроэнергетика   5

Энергия ветра   5

Современные методы генерации электроэнергии из энергии  ветра   5

Экологические аспекты ветроэнергетики   7

Гидроэнергетика    8

Солнечная энергия 12

Геотермальная    15

Энергия биомассы 16

Заключение 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

В последние  годы крайне популярно стало понятие  «возобновляемые источники энергии (ВИЭ)». Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических.

Энергетический  кризис 1973-1974 годов в капиталистических  странах показал, что трудно постоянно  наращивать энерговооруженность производства, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Энерговооруженность  общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил.  Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, альтернативные источники энергии.

В отличие  от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных  киловатт получаются, в принципе, тем  же способом, которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или  при использовании запасенной в  нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике.

Каковы  же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную  энергию, энергию морских приливов и волн,  биомассы (растения, различные  виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды.

Основной  фактор при оценке целесообразности использования возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании  традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники  для удовлетворения локальных потребителей энергии.

Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым терминов «экоэнергетика», под которым подразумеваются любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды. 
 
 
 
 
 
 
 

Плюсы и минусы ВИЭ

К положительным  качествам ВИЭ относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность  потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства ВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать  большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой. Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными  энергоустановками.

Больше неприятностей  доставляет изменчивость во времени  таких источников энергии, как солнечное  излучение, ветер, приливы, сток малых  рек, тепло окружающей среды. 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».

Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который  должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить «на склад», как уголь, нефть или любой другой продукт  или товар, поскольку фундаментальная  научно-техническая проблема аккумулирования  электроэнергии в больших количествах  пока не решена, и нет оснований  полагать, что она будет решена в обозримом будущем.

Что же касается «бесплатности» большинства видов ВИЭ, 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 ВИЭ 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. 
 
 
 
 
 

Ветроэнергетика 

Энергия ветра

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра  — кинетической энергии воздушных  масс в атмосфере.

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями  бороздившие просторы океанов, и  ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт  энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает  гидроэнергетический потенциал  планеты.

Почему же столь  обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо  используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего  одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был  оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение  электрической энергии из энергии  ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело  к появлению на свет множества  таких агрегатов. Некоторые из них  достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они  могли бы образовать настоящую электрическую  сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения  электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного  тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током  нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних  островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. 

Современные методы генерации электроэнергии из энергии  ветра

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором  ветра вращается ветроколесо  с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач  валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная  простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.  

Крыльчатые ветродвигатели

Традиционная  компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

Коэффициент использования  энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.  

Карусельные ветродвигатели 

Различие в аэродинамике дает карусельным  установкам преимущество в сравнении  с традиционными ветряками. При  увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные  ветродвигатели тихоходны и это  позволяет использовать простые  электрические схемы, например, с  асинхронным генератором, без риска  потерпеть аварию при случайном  порыве ветра. Еще более важным преимуществом  карусельной конструкции стала  ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем “откуда  дует ветер”, что весьма существенно  для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.  

Карусельный лопастный  ветродвигатель наиболее прост в  эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске  ветродвигателя и автоматическое саморегулирование  максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается  скорость вращения и возрастает вращающий  момент вплоть до полной остановки.  

Ортогональные ветродвигатели

Ортогональные ветродвигатели, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных  установках используется тот же профиль  крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 1. (6)). Самолет, прежде чем “опереться” на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.