Разработка бытового ветрогенератора

ДИПЛОМ 10001 ноч.docx

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 147 миллиона тонн оксида углерода 34 миллиона тонн углеводородов около одного миллиона тонн оксидов азота более 55 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.
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:
- 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;
- можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;
- 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.
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.
Доказанные запасы нефти в мире оцениваются в 140 млрд. тонн а ежегодная добыча составляет около 35 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 23 доказанных запасов причём большая их часть (более 25 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 03% 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.
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 23 достоверных запасов. На начало 90-х годов по оценке МИРЭК около 1040 млрд. тонн.
Наибольшими за пределами территории Российской Федерации достоверными запасами располагают США (14 мировых запасов) КНР (16) Польша ЮАР и Австралия (по 5-9% мировых запасов) более 910 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 (14) на территории Российской Федерации (более 15) КНР (около 15) ЮАР (более 110) 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 45 всех запасов в Индии - 23 в Австралии - около 13 в США - более 15 в Китае - 110. Эти запасы используются более интенсивно и доля угля разрабатываемого открытым способом составляет например в Австралии более 12 в США более 35.
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 45) 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.
4Проблемы 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.
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 :
где V - мировые запасы энергоресурсов;
Q - единица тепловой энергии равная Q=2521017 ккал = 36109 тонн условного топлива т.у. т. топлива с калорийностью 7000 ккалкг так что запасы энергоресурсов составляют 1281012 * 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 111010 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 25 % 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.
5Альтернативные 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.
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 13—15 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 45 до 5.0 кВт-чм2 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 (40-45 кВт-ч в день). Более 60% территории России в том числе и многие северные районы характеризуются среднегодовым поступлением от 35 до 45 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 45 до 5 кВт-чм 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 15-2 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.
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;
политический: та страна которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;
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;
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;
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.
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 285 % 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 35 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 15 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).
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 27 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 51МВт(одна установка мощностью 600 кВт и 20 – по 225 кВт) построенного в Калининградской области. Кроме того построена Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 25 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 мсек 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 (025-07) и большой металлоемкости (до 500 кгкВт) 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 центовкВт-ч (на современных ТЭС она составляет 5 центовкВт-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.
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.
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.
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 cсм3. 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.
Существуют два принципиально различных подхода к созданию термоядерных реакторов и пока не ясно какой подход окажется наиболее выгодным.
В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой ускоряемой за счет реактивных сил возникающих при испарении оболочки с помощью мощного лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде микровзрыва когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr где r - плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того чтобы за время разлета смесь успела выгореть нужно чтобы rr Ё 3 Гсм2. Отсюда сразу следует что критическая масса топлива М будет уменьшаться с ростом плотности смеси М ~ rr3 ~ 1r2 а следовательно и энергия микровзрыва будет тем меньше чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии. Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой но всегда существующей неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой мишени которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и следовательно критическая энергия которую нужно вложить оболочку для ее разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра нужно вложить около 2 МДж за время 5*10-9 с. При этом энергия микровзрыва будет на уровне всего 54108 Дж (эквивалентно около 100 кг обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой. Предполагается что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц а выделяемая в камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для получения электроэнергии.
За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и рентгеновского излучения с мишенью. Более того современные многослойные мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов которые позволяют обеспечить требуемую мощность излучения. Было получено зажигание и большой положительный выход термоядерной энергии и поэтому нет сомнений что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая проблема с которой сталкиваются исследователи работающие в этой области - создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки. Требуемые мощности можно получить используя лазеры (что и делается в современных экспериментальных установках ) но к. п. д лазеров слишком мал для того чтобы можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В настоящее время разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза основанные на использовании ионных и электронных пучков и на создании рентгеновского излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также достигнут существенный прогресс. В настоящее время в США ведется строительство большой лазерной установки NIF рассчитанной на получение зажигания.
Другое направление в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные реакторы основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется для изоляции горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В отличие от инерционных реакторов магнитные термоядерные реакторы - это стационарные устройства с относительно низким объемным выделением энергии и относительно большими размерами. За 60 лет термоядерных исследований были предложены различные системы для магнитного удержания среди которых токамак занимает сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного удержания плазмы - это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в настоящее время в Японии и Германии.
В токамак горячая плазма имеет форму тора и удерживается от контакта со стенкой с помощью магнитного поля создаваемого как внешними магнитными катушками так и током протекающим по самой плазме. Характерная плотность плазмы в токамаке 100 000 000 000 000 частиц в см3 температура Т = 10-20 кэВ (1 эВ ¦ 12000¦C) и давление 2-3 атм. Для того чтобы удержать это давление требуется магнитное поле с индукцией В ¦ 1 Т. Однако плазменные неустойчивости ограничивают допустимое давление плазмы на уровне нескольких процентов от магнитного давления и поэтому требуемое магнитное поле оказывается в несколько раз выше чем то которое нужно для равновесия плазмы. Для избежания энергетических расходов на поддержание магнитного поля оно будет создаваться в реакторе сверхпроводящими магнитами. Такая технология уже имеется в нашем распоряжении - один из крупнейших экспериментальных токамаков Т-15 построенный несколько лет назад в России использует сверхпроводящие магниты для создания магнитных полей.
Токамак реактор будет работать в режиме самоподдерживающегося термоядерного горения при котором высокая температура плазмы обеспечивается за счет нагрева плазмы заряженными продуктами реакции альфа-частицами (ионами Не). Для этого как видно из условия Лоусона нужно иметь время удержания энергии в плазме не меньше 5 с. Большое время жизни плазмы в токамаках и других стационарных системах достигается за счет их размеров и поэтому существует некий критический размер реактора. Оценки показывают что самоподдерживающаяся реакция в токамаке возможна в том случае если большой радиус плазменного тора будет 7-9 м. Соответственно токамак-реактор будет иметь полную тепловую мощность на уровне 1 ГВт. Удивительно что эта цифра примерно совпадает с мощностью минимального инерционного термоядерного реактора.
За прошедшие годы достигнут впечатляющий прогресс в понимании физических явлений ответственных за удержание и устойчивость плазмы в токамаках. Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы позволившие изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы которые будут использоваться в реакторах. Крупные нынешние экспериментальные машины - JET (Европа) JT60-U (Япония) Т-15 (Россия) и TFTR (США) - были построены в начале 80 годов для изучения удержания плазмы с термоядерными параметрами и получения условий при которых нагрев плазмы сравним в полным выходом термоядерной мощности. Два токамака TFTR и JET использовали DT смесь и достигли соответственно 10 и 16 МВт термоядерной мощности. В экспериментах с DT смесью JET получил режимы с отношением термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы Q=0.9 и токамак JT60-U на модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это поколение токамаков практически выполнило свои задачи и создало все необходимые условия для следующего шага - строительство установок нацеленных на исследование зажигания Q Ё 5 и уже обладающих всеми чертами будущего реактора.
В настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа Россия США и Япония. Предполагается что этот первый термоядерный реактор токамак будет построен к 2012г.
Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий - это широко распространенный в природе изотоп который может добываться из морской воды. Тритий будет производиться в самом реакторе из лития. Запасы дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч лет и это топливо как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны. Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные материалы для первой стенки и других компонентов реактора которые за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить что реактор проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс будет законсервирован на следующие 30-50 лет а затем конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой реакции которая имеет высокое сечение при относительно низкой температуре и следовательно легче всего осуществима можно использовать и другие реакции. Например реакции D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к нейтронной активации первой стенки. Однако условия Лоусона для таких реакций более жесткие и поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага нацелена на использование DT смеси.
Несмотря на большие успехи достигнутые в этом направлении термоядерным реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не будет готова раньше чем 2020-2040 г.
Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин дающими баснословно дешевую энергию. Однако это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы вообще: земли выше плотин подтоплялись ниже - падал уровень грунтовых вод терялись огромные пространства земли уходившие на дно гигантских водохранилищ прерывалось естественное течение рек загнивала вода в водохранилищах падали рыбные запасы и т.п. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму зато добавлялся еще один: в случае землетрясения способного разрушить плотину катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею “мини-ГЭС” которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.
Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования “мини-ГЭС” способны конкурировать с “макси” по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом является также возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.
Еще одной очень перспективной разработкой не получившей пока широкого применения является недавно созданная геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя). Ее особенность заключается в том что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает используя кинетическую энергию водяного потока - реки океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции мощность которой ранее зависела только от силы напора воды то есть от высоты плотины ГЭС.
12 Энергия приливов и отливов
Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Подсчитано что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же энергии сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля вместе взятых; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов вся экономика СССР того же года - на 1150 млрд. при правлении Хрущева к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении экспериментально опробованы в нескольких странах в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
На сегодняшний день ПЭС уступает тепловой энергетике: кто будет вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС когда есть нефть газ и уголь продаваемые развивающимися странами за бесценок? В тоже время она обладает всеми необходимыми предпосылками чтобы в будущем стать важнейшей составляющей мировой энергетики такой какой сегодня к примеру является природный газ.
Для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров потребуются десятилетия или даже столетия. И все же процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс впадающей в пролив Ла-Манш где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности первый опыт эксплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и в настоящее время эффективно используется.
Существуют также проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря где местами например в Пенжинской губе высота приливов достигает 12.9 м а в Гижигинской губе - 12-14 м .
Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова которая позволяет сооружать ПЭС без плотин сокращая расходы на строительство.
Прилив—это результат гравитационного притяжения больших масс воды океанов со стороны Луны и в меньшей степени. Солнца. При вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема воды под действием Луны достигает суши как это должно происходить вследствие вращения Земли наступает прилив. Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту часть океана и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки хотя их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны.
Средняя высота прилива составляет всего лишь 05 м за исключением тех случаев когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В таких случаях возникает волна высота которой может в 10—20 раз превышать нормальную высоту приливного подъема. Приливы в заливе Фанди наибольшие в мире достигают высоты 16 м. Между Англией и европейским побережьем (Франция Бельгия Голландия) тоже возникают такие приливы. Каждый год наиболее высокие приливы случаются тогда когда Луна и Солнце находятся почти на одной линии так что их суммарное гравитационное воздействие увеличивает объем перемещаемой океанской воды.
Приливная энергия используется для заполнения резервуара образованного дамбой. Отток воды при отливе может быть использован для привода турбины в основном таким же образом как на гидростанциях. В мире имеется ограниченное число мест где разница высот воды при приливе и отливе достаточно велика чтобы обосновать целесообразность приливной электростанции. Такая ситуация имеется во Франции в устье реки Ранее где в настоящее время работает приливная электростанция. Имеются также предложения по использованию существенной энергии волн однако это более сложная задача потому что в данном случае энергия рассеяна на большом пространстве.
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано в частности с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к вторжению соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся течений как за плотиной так и перед ней; для водных организмов небезопасно также прохождение через турбины.
Океаны содержат потенциальную энергию в виде тепла энергии течений волн и приливов. Технический энергопотенциал приливов оценивается в 780 млн. кВт. В Канаде эксплуатируется приливная станция мощностью 20 МВт (Аннаполис). В России имеется небольшая станция в районе Мурманска мощностью 400 кВт разрабатываются станции для Дальневосточного района мощностью 87 млн. кВт.Потенциальная выработка приливных электростанций в США оценивается в 350 млрд. кВтч во Франции — в 40 млрд. кВтч в год.
Первоисточником энергии служит солнце испаряющее воду из океанов озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя выпадающего в возвышенных местностях и стекающего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого стока и перехватывают энергию движущейся воды—энергию которая иначе была бы израсходована на перенос отложений к морю.
Первые гидроэлектростанции использовали реку в ее естественном виде но сейчас в большинстве случаев строят плотины чтобы увеличить высоту падения воды и выровнять ее поступление. Сооружение гидроэнергетических установок обходится дорого но их эксплуатация сравнительно дешева потому что «топливо» бесплатно.
Этот метод имеет преимущества: не загрязняет атмосферу легко управляется прием поворота механизированного клапана на подаче воды поэтому проблем связанных с пиковыми нагрузками нет. Однако гидроэнергетика не безвредна для окружающей среды имеются трудности в широком развитии гидроэлектрических ресурсов. Требуется накопление больших объемов воды затопление долин и обширных площадей земли часто ценной для коммерческого использования и для отдыха людей или ненарушенных заповедных земель в которых происходят нежелательные экологические изменения. Это вызвало широкие протесты общественности в разных инстанциях однако с ограниченным успехом. В частности произошел подъем воды в оз. Пиддер в Тасмании оз. Мэнапури в Новой Зеландии и затопление природного образования из песчаников Райбоу Бриджа Южной Юте. Плотины и водохранилища не только выводят из оборота затопляемые земли но и влияют на качество воды которая накапливается и постепенно спускается. Кроме того страдает и русло реки ниже плотины. Утрата земельных угодий—это очевидное следствие однако снижение качества воды—результат неожиданный. В зависимости от сезона вода поступающая из водохранилища может содержать очень мало растворенного кислорода и тогда она окажется неблагоприятной средой для рыб и других обычных водных организмов. И наконец спускаемая вода в большей степени размывает русло потока чем это делала бы не запруженная река.
В связи с трудностями возникающими на станциях использующих ископаемое топливо при пиковых нагрузках развитие гидроэлектростанций поощрялось производителями электроэнергии. Одной из последних идей в этой области является "накачивание" аккумуляторов — метод который может быть использован также в системах солнечной или ветряной энергетики. Вода прошедшая через турбины аккумулируется в больших накопительных прудах. Ночью по окончании пиковой нагрузки тепловые или ядерные станции перекачивают воду обратно на верхний уровень. При этом применяются неиспользуемые или простаивающие мощности основных станций часто ядерные В настоящее время пиковые потребности в электричестве часто обеспечиваются старыми городскими электростанциями что ведет к повышению уровня эмиссий к потреблению газа или жидкого топлива которые могли быть лучше использованы для других целей. Замена их "накачиваемыми" гидроаккумуляторами имеет много преимуществ как экономических так и экологических.
Что касается гидроэнергии которая в настоящее время обеспечивает 15 мирового производства электроэнергий то наиболее перспективными с точки зрения будущего увеличения ее выработки являются страны третьего мира.
Уже инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба в подводной части которой сделано “окно”; попадая в него глубинная волна (а это - почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается приводя в движение вторую турбину. Таким образом волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде а ток по подводному кабелю передается на берег.
Некоторые типы ВЭС могут служить отличными волнорезами защищая побережье от волн и экономя таким образом миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов.
Под руководством директора Лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоринском проливе где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м3 в секунду что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам специалистов средства вложенные в проект окупятся в течение пяти лет.
В этой уникальной электростанции для получения напряжения мощностью 38 мВт будет использоваться турбина Горлова. Эта геликоидная турбина имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в 2-3 раза быстрее скорости течения. В отличие от многотонных металлических турбин применяемых на речных гидроэлектростанциях размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр 50 см длина 84 см) масса ее всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше чем у обычных турбин.
Гольфстрим - не единственное океанское течение которое может быть использовано для выработки энергии. Японские ученые например говорят о большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км глубина проникновения - до 700 м а объем потока - почти 38 млн. м3 в секунду!
14 Геотермальная энергия
Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый источник “чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии в районах Ландерелло Монте-Амиата и Травеле работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния Долина Больших Гейзеров) Исландии (у озера Миватн) Новой Зеландии Мексики и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников. Но потенциальная мощность геотермальной энергетики намного выше.
Геологи открыли что раскаленные до 180-200оС массивы на глубине 4-6 км занимают большую часть территории нашей страны а с температурой до 100-150С встречаются почти повсеместно. Кроме того на нескольких миллионах квадратных километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3.5 км и с температурой воды до 200С - естественно под давлением - так что пробурив ствол можно получить фонтан пара и горячей воды без всякой электротеплоцентрали.
Говоря просто геотермальная энергия—это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном температуре внутри планеты Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли.
Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности ни ресурсам пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Остается надеяться что повсеместное введение новой интенсивной циркуляционной технологии для производства геотермальной энергии приведет к более широкому ее использованию.
Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами —для выработки электроэнергии и для обогрева домов учреждений и промышленных предприятии Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжение Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого "сухого пара" т е пара без примеси водяных капелек Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве—сбрасывать в ближний водоем.
В других местах где имеется смесь воды с паром (влажный пар) этот пар отделяют и затем используют для вращения турбин; капли воды повредили бы турбину. Наконец в большинстве месторождений есть только горячая вода и энергию здесь можно вырабатывать пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние с тем чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).
В районах отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов. Тем не менее имеется потенциальная возможность его расширения путем покачивания геотермальных вод через горячие подземные породы где они находятся на умеренной глубине.
Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое потому что пар часто сопровождается газообразными выбросами включая сероводород и радон-оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар вращающий турбину должен быть конденсирован что требует источника охлаждающей воды точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того там где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций работающих на влажном паре и там где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли) и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода—дурно пахнущего газа опасного в больших концентрациях.
Обоснование и строительство первых в нашей стране опытных ГЦС с гидроразрывом горячих пород также базируется на результатах зарубежных исследований. Вместе с тем у нас разрабатываются оригинальные технологические схемы. Ископаемое топливо исчерпаемо и поэтому уже сейчас нужно не только задумываться о поиске альтернативных источников энергии но и смело проводить технологические эксперименты по внедрению в нашу жизнь новых нетрадиционных источников которые вполне возможно откроют серьезные перспективы для электроэнергетики будущего. И наряду со многими идеями нельзя отрицать важности использования геотермальной энергии - энергии нашей родной Земли.
Геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) используют в качестве источника энергии естественные парогидротермы залегающие на глубине до 5 км. Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США на Филиппинах в Мексике Италии Японии России. Самая мощная ГеоТЭС (50 МВт) построена в США — ГеоТЭС Хебер.
Запасы геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.
В России геотермальные источники экономически расположены невыгодно. Камчатка Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой высокой сейсмичностью малонаселенностью сложным рельефом местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. В настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт.
Вода и пар разделяются в циклонах. Вода находящаяся под высоким давлением преобразуется в пар и также используется для генерации электричества. Давление пара значительно меньше по сравнению с современными тепловыми электростанциями и это вынуждает применять крупные турбины с ограниченной генерирующей способностью. Впрочем следует иметь в виду что топливо в данном случае бесплатное и результирующая стоимость энергии поэтому низка. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало и поэтому хотя геотермальная энергия производится при малых затратах проекты рассчитанные на долгую перспективу неизвестны. Этот способ может снабжать только небольшой долей требуемой энергии даже те страны в которых доступны геотермальные воды и тоже не свободен от проблемы загрязнения атмосферы.
Основное направление развития геотермальной энергетики — отбор теплоты не только термальных вод но и водовмещающих горных пород путем закачки отработанной воды в пласты преобразование глубинной теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую безопасность технологии ее использования.
15 Гидротермальная энергия
Кроме геотермальной энергии активно используется тепло воды. Вода - это всегда хотя бы несколько градусов тепла а летом она нагревается до 25 С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка действующая по принципу “холодильник наоборот”. Известно что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар который образуется в результате теплообмена конденсируется его температура поднимается до 110С а затем его можно пускать либо на турбины электростанций либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.
Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур как например в морях: на глубине вода имеет низкую температуру - около С а на поверхности нагревается до С что составляет 20 градусов разницы. Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально (например у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии) осталось только претворить их в жизнь везде где имеются подходящие природные условия.
Естественным путем выживания являются максимизация стратегии бережливости в отношениях с окружающим миром и увеличение замкнутости круговорота всех веществ вовлекаемых в сферу человеческой деятельности.
Для производства электрической и тепловой энергии в лесоперерабатывающей промышленности широко используется биомасса — энергоносители растительного происхождения образуемые в процессе фотосинтеза. Содержание серы в биомассе составляет менее 01 % зольность — 3-5 % (в угле. эти показатели равны 2-3 и 10-15 % соответственно). Если производство биомассы соизмеримо с ее сжиганием содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Наиболее оптимальный способ использования биомассы — ее газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах. Предварительные расчеты проведенные в Принстонском университете показывают что турбогенераторы работающие на продуктах газификации биомассы могут успешно конкурировать с традиционными тепловыми ядерными и гидравлическими энергоустановками. Наиболее перспективными областями применения таких турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики в которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности сахарные и винокуренные заводы перерабатывающие сахарный тростник). Так в Бразилии при использовании биомассы с винокуренных предприятий образуется столь значительный избыток электроэнергии что ее реализация делает спирт дешевле нефти. Только из сахарного тростника может быть произведено 50 % энергии которая вырабатывается сейчас всеми источниками в 80-ти развивающихся странах где выращивают эту культуру.
Синтетическое топливо по мнению американских ученых может стать важным источником энергии в XXI веке. Специалисты обращают внимание на метанол отличающийся простотой транспортировки и меньшим чем бензин уровнем местного загрязнения окружающей среды (если ментол производится на основе природного газа). Однако в продуктах сгорания метанола синтезированного из угля содержится в два раза больше углекислого газа чем его выделяется при сжигании бензина. Выход может быть найден на пути синтеза метанола при газификации древесной биомассы.
На сегодняшний день сельское хозяйство ЮФО располагает большой сырьевой базой для производства биоэтанола. Самыми продуктивными в этом производстве являются зерновые культуры пшеницы сорго и кукурузы. Кроме того в АЧГАА разработана технология позволяющие использовать для получения биоэтанола пожнивные остатки этих зерновых культур и отходы процессов переработки сельскохозяйственной продукции – отруби кукурузная кочерыжка стебли кукурузы солома пшеницы и риса.
Технологический процесс такого производства содержит небольшое число участков и ступеней используются высокоэффективные ферменты и дрожжи повышающие выход биоэтанола.
Производство биоэтанола является безотходным т.к. барда - это ценный корм для животноводства его применение увеличивает до 30% привесы в свиноводстве и на 20% производство молока на фермах КРС.
В АЧГАА разработано малогабаритное технологическое оборудование для производства биоэтанола в условиях малых и средних хозяйств. В основной состав оборудования входит смеситель разварник осахариватель дрожжевые аппараты и бродильные аппараты.
Проведена оценка рентабельности производства биоэтанола из зерна пшеницы. Причем оказалось что себестоимость получаемого биоэтанола зависит не только от стоимости зерна но и от производительности минизавода.
АЧГАА предлагает хозяйствам комплектное оборудование для получения биоэтанола с различной суточной производительностью.
В АЧГАА закончены работы над перспективным направлением в биоэнергетике – это технология получения углеводородных органических соединений имеющих теплоту сгорания близкую к бензину и выше чем у этанола. Сырьевая база является точно такой же как и в производстве биоэтанола.
В основе технологии производства лежит микробиологический способ получения бутанола ацетона и др. органических веществ как результат жизнедеятельности ацетонобутиловых бактерий Клостридий.
Основным выходным продуктом здесь является Бутанол (бутиловый спирт) - это дорогостоящий органический растворитель широко применяется при изготовлении нитролаков и масляных лаков в производстве сложных растворителей синтетической резины и шелка служит сырьем для производства практически всех пластмасс и их растворителей поэтому на рынке химических реактивов и веществ имеет постоянно большой спрос.
Следующим по значимости продуктом выступает биобензин - это смесь ацетона этанола изопропанола и др. веществ имеет теплоту сгорания близкую к бензину поэтому может использоваться автотранспортом в качестве добавки к моторному топливу что позволяет существенно снизить затраты на ГСМ.
При брожении выделяется большое количество водорода – и он рассматривается в перспективе как высококалорийный энергоноситель.
Получаемые биопродукты имеют высокие энергетические характеристики. Теплота сгорания бутанола очень высокая – его не зря называют биотопливом второго поколения.
АЧГАА разработано оборудование для ректификации бутанола которое содержит три колонны. Первые две работают на получение биобензина а третья служит для выделения бутилового спирта.
Технология является также безотходной т.к. получаемая после перегонки барда идет на корм свиней или КРС.
В АЧГАА спроектирован и изготовлен универсальный ректификационный аппарат для получения биобутанола биоэтанола и биобензина.
Потенциальное использование биомассы в России может позволить заменить всю нефть расходуемую сейчас в качестве горючего для легковых автомобилей а также уголь сжигаемый для производства электричества. При этом число выбросов углекислого газа сократилось бы наполовину.
Ежегодный объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн. т. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн.т условного топлива в год: за счет производства биогаза (120 млрд. м3) — 100-110 млн. т этанола — 30-40 млн. т. Окупаемость современных технологий производства биогаза из отходов по оценкам специалистов составляет от 3 до 5 лет.
За счет использования биогаза к 2000 г. можно получить годовую экономию органического топлива 6 млн. т а к 2010 г. в 3 раза больше. Для этого необходимо создать высокоэффективные штампы анаэробных микроорганизмов специальные виды энергетической биомассы технологии эффективное оборудование.
17 Вторичные энергоресурсы
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) — это энергия различных видов покидающая технологический процесс или установку использование которой не является обязательным для осуществления основного технологического процесса. Экономически она представляет собой побочную продукцию которая при соответствующем уровне развития техники может быть частично или полностью использована для нужд новой технологии или энергоснабжения других агрегатов (процессов) на самом предприятии или за его пределами.
Экономика стала бы значительно менее энергоемкой и менее загрязняющей окружающую среду за счет вторичного использования отходов. Большая часть используемых сегодня материалов выбрасывается после одноразового применения. Это примерно 23 всего алюминия 34 стали и бумаги и еще большая часть пластмасс. Всего лишь 5% энергии затрачиваемой на добычу алюминия из бокситов требуется для его регенерации. Для стали изготавливаемой только из лома экономия энергозатрат составляет примерно 65%. Производство газетной бумаги из макулатуры требует на 25 - 60% меньше энергии чем ее изготовление из древесной массы. Получение стекла из вторсырья экономит до 33% энергии необходимой для его изготовления из первичного сырья.
В настоящее время особенно велики потери теплоты на электростанциях в металлургической химической нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в сельском хозяйстве.
Теплота уносится также с вентиляционным воздухом с канализационными и бытовыми стоками. Согласно расчетам из 17 млрд. т у. т. расходуемого в стране за год полезно используется примерно 700 млн. т. Утилизация ВЭР позволит получить большую экономию топлива и существенно уменьшить капитальные затраты на создание соответствующих энергоснабжавдщих установок так как при одинаковом эффекте затраты на улучшение использования энергоресурсов в 15-2 раза ниже затрат на добычу топлива. Рациональное и возможно более полное использование вторичных энергоресурсов дает большую экономию материальных денежных и трудовых затрат обеспечивает снижение выбросов вредных веществ в том числе и тепловых.
ВЭР разделяются на три основные группы: избыточного давления горючие и тепловые.
Ветроэнергетика – отрасль науки и техники разрабатывающая теоретические основы методы и средства использования энергии ветра для получения механической электрической и тепловой энергии (ветротехника) и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.
Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой – либо другой вид энергии.
Ветродвигателем называют двигатель использующий кинетическую энергию ветра для механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространённые) с коэффициентом использования энергии ветра до 048 карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 015 и барабанные.
К основным компонентам системы без которых работа ветряка невозможна относят следующие элементы:
От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра;
лопасти–приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра;
мачта–обычно чем выше мачта тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.
Список дополнительно необходимых компонентов:
контроллер–управляет многими процессами ветроустановки такими как поворот лопастей заряд аккумуляторов защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей;
аккумуляторные батареи–накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей;
анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности;
АВР–автоматическое включение резерва. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 05 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку общественную электросеть дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания;
инвертор–преобразовывает ток из постоянного который накапливается в аккумуляторных батареях в переменный который потребляет большинство электроприборов.
Инверторы бывают четырёх типов:
модифицированная синусоида –преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение обогрев заряд устройств и т.п.;
чистая синусоида преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели медицинское оборудование и др.;
трехфазный преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования;
сетевой в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть. Их стоимость обычно в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые.
1 Промышленные ветрогенераторы
Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) —устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило их объединяют в сети в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых атомных) — полное отсутствие как сырья так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
2 Строение малой ветряной установки
Ротор лопасти ветротурбина
Генератор (как правило это синхронный трёхфазный с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =36 В)
Контроллер заряда аккумуляторов
Аккумуляторы (необслуживаемые на 36 В)
Инвертор (= 36 В -> ~ 220 В 50Гц)
3 Строение промышленной ветряной установки
Строение ветрогенератора
Cиловой шкаф включающий силовые контакторы и цепи управления
Электрический генератор
Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
Система изменения угла атаки лопасти
На рисунке 2.1 показано общее строение ветроэнергетической установки.
Рисунок 2.1 строение ветроэнергетической установки.
4 Типы ветрогенераторов
Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Вертикальноосевые турбины работают при низких скоростях ветра но имеют малую эффективность. Поэтому Вертикальноосевые системы встречаются достаточно редко и применяются как правило в домашних системах.
Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается. Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 9 мс. Если местность не ветреная Ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генераторном. Источники будут замечательно друг друга дополнять.
5 Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Промышленный Ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.
Для строительства необходимы дорога до строительной площадки место для размещения узлов при монтаже тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:
неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан или неправильно устроен дренаж фундамента башня от сильного порыва ветра может упасть;
обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости используемые в генераторе не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра и ротор останется неподвижным;
удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы;
отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП;
нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП;
пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы утечки масла из гидравлических систем обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных электростанций и большой высоты на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
6 Перспективные разработки
Департамент Энергетики США (DoE) финансирует разработки и испытания ветрогенераторов мощностью 5—8 МВт как для наземного использования так и для установки в море.
Норвежская компания StatoilHydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 23 МВт в cентябре 2009 года. Турбина под названием Hywind весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.
Компания Magenn разработала аппарат легче воздуха с установленным на нём ветрогенератором. Аппарат поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 мс до 28 мс. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.
Компания Windrotor предлагает новую очень эффективную конструкцию ротора мощной турбины позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.
Департамент Энергетики США (DoE)в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.
В мае 2009 года в Германии был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор установленный на гибридной башне компании Advanced Tower Systems (ATS). Нижняя часть башни высотой 765 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20%2.
7 Малые ветрогенераторы
К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах сх фермах для водоснабжения.
Малые ветрогенераторы могут работать автономно то есть без подключения к общей электрической сети.
Считается что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:
Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))
Высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)
Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор сравнимый по стоимости со всей установкой.
В настоящее время несмотря на рост цен на энергоносители себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.
Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:
Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор)
Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяется аккумуляторы)
Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор).
В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:
Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19—25°С — в бойлерах горячего водоснабжения — 40—97°С без ущерба для потребителей.
По данным Американской Ассоциации Ветряной Энергетики (AWEA) в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветряных турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость 56 082 850 (примерно 3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США) их суммарная мощность 19 483 кВт.
Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более 01 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла 010—011 за кВт·ч. AWEA ожидает что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до 007 за кВт·ч.
AWEA прогнозирует что к 2020 году суммарная мощность малой ветряной энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветряные турбины будут установлены в 15 млн. домах и на 1 млн. малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем 1 млрд.
Ниже приводится схема и основные расчёты ветрогенераторной системы разработанной и изготовленной автором.
ВЫБОР СХЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТА ЭНЕРГИЕЙ
Схема работы ветрогенераторной системы с потребителем.
На рисунок 3.2 показана схема электроснабжения потребителя от ветрогенератора(с аккумуляторами) и его коммутация с сетью.
Рисунок 3.2Ветрогенератор (с аккумуляторами) и его коммутация с сетью.
Данная система состоит из приборов:
Коммутационный аппарат
Данная схема предусматривает бесперебойное снабжение потребителя электроэнергией при перебоях в централизованной системе электроснабжения. При отключении основного источника питания т.е централизованной электросети АВР производит переключение с основного источника питания на резервный.
Резервным источником питания является альтернативный источник энергии- ВЭУ. которая преобразует энергию ветра в электроэнергию. Полученная энергия через контролер поступает на заряд АКБ. С АКБ напряжение поступает на инвертор который в свою очередь преобразует постоянное напряжение 12В в переменное 220В с частотой 50Гц тем самым обеспечивая потребителя электроэнергией.
ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1Работу всего комплекса определяют три основные величины.
) Выходная мощность ветроустановки (кВт) определяется только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра емкости аккумуляторов. Ещё её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр определяет максимальное количество электроприборов которые могут быть одновременно подключены к моей системе. Я не смогу одновременно потреблять больше электроэнергии чем позволяет мощность моего инвертора. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов.
)Время непрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется емкостью аккумуляторных батарей (А*ч или кВт) и зависит от мощности и длительности потребления.
)Скорость заряда аккумуляторных батарей (кВтчас) зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель прямо зависит от скорости ветра а косвенно от высоты мачты и рельефа местности. Более мощный генератор следует брать в том случае если ветра в месте установки слабые или вы потребляете электроэнергию постоянно но в небольших количествах. Для увеличения скорости заряда аккумуляторов возможна установка нескольких генераторов одновременно и подключение их к одной аккумуляторной батарее.
2 Условия подбора ветрогенератора и сопровождающего оборудования.
) Количество электроэнергии необходимое объекту ежемесячно (измеряется в кВт*час). Эти данные необходимы для подбора генератора. Их можно взять из коммунальных счетов на оплату электроэнергии или рассчитать самостоятельно.
) Желаемое время автономной работы энергосистемы в безветренные периоды или периоды когда моё потребление энергии из аккумуляторов будет превышать скорость зарядки аккумуляторных батарей генератором. Данный параметр определяет количество и емкость аккумуляторных батарей.
) Максимальная нагрузка на сеть в пиковые моменты (измеряется в кВт). Необходимо для подбора инвертора переменного тока.
Для примера взят частный дом в городе Ростов на Дону. По
предварительным расчётам дом будет потреблять не больше 150 кВт*ч электроэнергии ежемесячно с учётом использования энергосберегающих технологий. Затраты электроэнергии не очень высокие т.к. хозяева будут использовать для отопления и нагрева воды газовый котёл а ветрогенератор необходим только для полного обеспечения бытовых приборов электроэнергией (холодильник освещение).
Хозяева проводят основную часть дня на работе а пик потребления электроэнергии припадает на утренние и вечерние часы. В этот момент могут быть включены электроприборы суммарной мощностью до 03 кВт.
Дом находится на возвышенности и есть открытое пространство
вокруг места установки ветрогенератора.
Общественная электросеть есть.
Необходимо полностью обеспечить 150 кВт*ч электроэнергии ежемесячно с пиковыми нагрузками до 300 Вт.
Чтобы понять как быстро должны заражаться аккумуляторы при расходе электроэнергии 150 кВт*ч в месяц: Скорость заряда аккумуляторных батарей генератором должна составить как минимум
Рассчитываем среднее ежечасное потребление
Wср.ч =( Wm N) n (4.1)
где Wср.ч -среднее ежечасное потребление [ кВт ч ];
Wm -среднемесячное потребление;
N -число дней в месяце;
n -число часов в сутках.
Wср.ч =(150 30) 24=0208 (кВт ч)
Для того чтобы обеспечить заряд аккумуляторных батарей генератором при этих условиях со скоростью 208 Ватт в час нужно взять генератор номинальная мощность которого будет как минимум в три раза больше необходимой т.к. генератор будет работать всего на 30-35% от номинальной мощности
где Pн- номинальная мощность [ Вт ].
Pн= 208 * 3= 624 (Вт)
Для данной ветроустановки выбираем автогенератор Г 224 – 55А Uн=14 В. Этот генератор имеет высокие техника – экономические показатели лёгок в эксплуатации и легко доступен.
Техническая характеристика генератора сведены в таблицу 4.1
Коэффициент мощности
Частота вращения ротора
4 Расчёт скорости ветра
В городе Ростов-на-Дону низкая среднегодовая скорость ветра но открытое пространство и возвышение объекта позволит ветрогенератору работать как минимум на 30-40% от номинальной мощности. Для более точных показателей можно произвести замер скорости ветра в месте установки.
Как правило оси пропеллерных ветроустановок находятся на высоте 5-50 метров. Для такой высоты можно пользоваться упрощённой формулой нахождения скорости ветра аппроксимирующей выражение:
где Vh - скорость ветра на высоте h [ мч ];
V10 - скорость ветра на высоте 10м;
b = 014 - эмпирический коэффициент.
Vh= 5 * ( 1510 ) = 526 (мс)
На рисунке 4.2 показана зависимость передаваемая ветроустановкой энергия от рабочей скорости ветра 5 мс.
Рисунок 4.2 Передаваемая энергия ветроустановкой в зависимости от скорости ветра 5 мс.
Как видно из приведенного графика функция вырабатываемой энергии зависит от распределения скоростей ветра и имеет явно выраженный максимум. Это свойство используется для системных ветроэнергетических установок.
5 Аэродинамический расчёт ветроколеса
Конструкционная схема 3-лопостного ветроколеса дана на рисунке4.3. где L-длина лопасти R-радиус окружности D-ометаемая площадь ветроколеса.
Рисунок 4.3 – Схема ветроколеса.
Ветроколёса бывают одна лопастные двух лопастные трёх лопастные и многолопастные.
Рабочая скорость ветра для ветроэнергетических установок пропеллерного типа на территории Ростовской области должна быть 6 мс независимо от эквивалентной мощности потребителя. 8 9
При изменении эквивалентной мощности потребителя при сохранении требуемой надежности мощность ветроустановки изменяется пропорционально
где – мощность ветроустановки при исходной нагрузке кВт (Nву=077кВт);
N – исходная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки кВт (N = 02 кВт);
Nвур – расчетная мощность ветроустановки при другой нагрузке кВт;
Nр – расчетная среднесуточная эквивалентная мощность нагрузки кВт.
Из пропорции (4) следует:
Размеры ветроколеса при этом можно определить по формуле:
где Dву – расчетный диаметр ветроустановки м;
Vр – текущее значение рабочей скорости ветра мс.
Исходя из полученных данных принимаем D= 3 м диаметр ветроколеса. Длина лопасти L=15 м.
РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1 Цель расчёта токов К. З.
Коротким замыканием называется всякое непредусмотренное нормальными условиями работы соединение двух точек электрической цепи. В трёхфазных сетях переменного тока при расчётах учитывают трёхфазное и двухфазное КЗ а в системах с заземлённой нейтралью также однофазное КЗ на землю. Замыкание на землю в системах с изолированной нейтралью не являются коротким замыканием а рассматривается как ненормальный режим работы электрической сети. Очевидно что наибольший ток будет протекать по цепи при трёхфазном КЗ а наименьший соответственно при однофазном. Чаще всего токи КЗ бывают значительно больше токов нагрузки но могут быть соизмеримы с ними по значению. В этом и заключается одна из особенностей сельских электрических сетей которая связана с их значительной протяжённостью и разветвлённостью. 12
Короткое замыкание (КЗ) — электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание может возникать при нарушении изоляции токоведущих элементов или вследствие механического соприкосновения элементов работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.
2.1 Виды коротких замыканий.
В трёхфазных электрических сетях различают следующие виды коротких замыканий и время его действия.
Однофазное (замыкание фазы на землю) — K(1);
Двухфазное (замыкание двух фаз между собой) — K(2);
Двухфазное на землю (2 фазы между собой и одновременно на землю) — K(11);
Трёхфазное (3 фазы между собой) — K(3).
В электрических машинах возможны короткие замыкания:
Межвитковые — замыкание между собой витков обмоток ротора или статора замыкание обмотки на металлический корпус.
Последствия короткого замыкания: при коротком замыкании резко возрастает протекающая в цепи сила тока что обычно приводит к механическому или термическому повреждению устройства. В месте короткого замыкания может возникнуть электрическая дуга. Все это нередко становится причиной пожаров.
Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом — у других потребителей может снизиться питающее напряжение при коротких замыканиях в трёхфазных сетях возникает асимметрия напряжений нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые системные аварии.
В случае повреждения проводов воздушных линий электропередачи и замыкании их на землю в окружающем пространстве может возникнуть сильное электромагнитное поле способное навести в близко расположенном оборудовании ЭДС опасную для аппаратуры и работающих с ней людей.
Рядом с местом аварии происходит растекание потенциала по поверхности земли шаговое напряжение может достигнуть опасного для человека значения.
Для защиты от короткого замыкания принимают специальные меры ограничивающие ток короткого замыкания:
-устанавливают токоограничивающие электрические реакторы;
-применяют распараллеливание электрических цепей то есть отключение секционных и шиносоединительных выключателей;
-используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения;
-используют отключающее оборудование — быстродействующее коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания то есть плавкие предохранители автоматические выключатели;
-применяют устройства релейной защиты для отключения поврежденных участков цепи.
3 Расчёт токов К.З в сети 220 В.
Расчёт токов короткого замыкания выполнен в соответствии с межгосударственным стандартом12.
Расчётная точка для определения токов короткого замыкания (КЗ) указаны на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4 – Расчётная схема.
Резервное снабжение потребителя осуществляется от ветрогенератора через контролер (А1) и инвертор (А2) тогда примем их полное сопротивление Zр = rр = 010 ом. Поэтому начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от генератора G1
Iпо кА в точке К рассчитывают по формуле
где Uн – номинальное напряжение 220В;
Zл – полное сопротивление линии.
где rл и xл = 01 мОм.
rл = rл0* xл = xл0* l =01 * 10=1мОм.
Zл +Zр = 0071+013=0171 Ом.
При питании от системы и К.З в точке К2 сопротивлением системы можно принебреч и тогда
ВЫБОР АПАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ
Автоматический выключатель – это контактный коммутационный аппарат (электротехническое или электроустановочное устройство) способный включать проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи а также включать проводить в течение определённого устанавливаемого времени и отключать токи в определённом аномальном состоянии цепи электрического тока. Автоматический выключатель предназначен для нечастых включений а также для защиты кабелей и конечных потребителей от перегрузки и коротких замыканий.
Автоматические выключатели выбирают исходя из следующих условий. 4
(05 075) I пп; (6.1)
где - ток расчётный А;
I пп – номинальный ток нагрузки полупроводникового инвертора А.
Принимаем автоматический выключатель ВА- 101 Iн=63 А; I ma
Принимаем автоматический выключатель ВА-101 Iн =32 А; I ma
Магнитные пускатели выбираются исходя из условий:
КМ1: ПМЛ121002 = 10 А Uкат.н=220-230 В.
КМ2: ПМЛ121002 = 10 А Uкат.н=220-230 В.
При среднем уровне заряда аккумуляторных батарей 560 Втч за интервал 8-9 часов ветровой генератор сможет выработать около 5000 Ватт. В ветреные дни этот показатель может увеличиться как минимум в два раза поэтому за тот же период времени может быть выработано 10000 Ватт.
На элементной базе аналогичной применявшейся в описанном выше линейном стабилизаторе можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом.
При первом включении когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжение на R1 отпирает ключевой транзистор VT1 который тут же входит в режим насыщения так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент – транзистор VT2. Ток нарастающий в L1 заряжает С4 при этом через обратную связь на R8 происходит запирание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия запасенная в катушке питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.
Цепь R3 R4 С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах от Uст DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх появляется некоторая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсаций на выходе стабилизатора включен фильтр L2 С5.
Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1 VT2 DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение не должно превышать 30 В что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А например КД201Б.
Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В 50Гц. Существует два режима работы инвертора. Первый режим – это режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора. Второй режим – это режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течении нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 15 раза больше чем номинальная. В течении нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 25-35 раза большую чем номинальная. Сильная кратковременная перегрузка возникает например при включении холодильника. Как правило мощность инвертора примерно равна расчетной мощности ВЭУ.
Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 250 Вт можно установить инвертор 300 ВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку до300 Вт и кратковременную нагрузку до 350 Вт . Устройство предназначено для питания аппаратуры рассчитанной на переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц от аккумуляторной батареи напряжением 12 В.
Основные технические характеристики инвертора. Входное напряжение 10 15В.
Пределы изменения выходного напряжения при изменении входного напряжения и мощности нагрузки 215 230В.
Максимальная мощность нагрузки 350 Вт .
Устройство содержит задающий генератор на микросхеме DA1 стабилизатор его питания (DA2) разрядные полевые транзисторы VT1-VT4 мощные транзисторы VT5 и VT6 коммутирующие ток в первичной обмотке трансформатора Т1 узел защиты по току на реле К1 узел стабилизации выходного напряжения на микросхеме DA3.
Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой около 50 Гц с защитными паузами исключающими одновременное открывание коммутирующих транзисторов VT5 и VT6. Когда на выходе Q1 (или Q2) появляется низкий уровень открываются транзисторы VT1 и VT3 (или VT2 и VT4) вызывая быструю разрядку затворных емкостей а значит и форсированное закрывание транзисторов VT5 и VT6.
Собственно преобразователь собран по двухтактной схеме и особенностей не имеет. Рассмотрим более подробно работу узла стабилизации выходного напряжения.
Если напряжение на выходе преобразователя по какой-либо причине превысит установленное значение напряжение на резисторе R12 превысит 25 В ток через стабилизатор DA3 резко возрастет. Это в свою очередь вызовет освещение фотодиода оптрона U1 и появление сигнала высокого уровня на входе FV (вывод 2) микросхемы DA1.
Ее выходы Q1 и Q2 переключатся в состояние низкого уровня транзисторы VT5 и VT6 быстро закроются и ток в полуобмотках 1.1 и I.2 состояние с появлением на ее выходах противофазных импульсов.
Реле узла токовой защиты –специальное(т. е. не серийное). Обмотка реле содержит 1 -2 витка (подбирают исходя из необходимого тока срабатывания защиты) изолированного провода рассчитанного на протекание тока 20 30 А. Провод наматывают на корпусе геркона КЭМ2 или любого другого с замыкающими контактами.
В устройстве также имеется узел защиты по току собранный на реле К1. Для токовой защиты инвертора применено специальное реле изготовленное на базе геркона КЭМ-2. Технические данные геркона КЭМ-2 приведены в таблице 6.2.10
Максимальная коммутационная мощность Вт
Максимальный коммутационный ток А
Максимальное коммутационное напряжение В
Максимальное время срабатывания
Максимальное время отпускания
Максимальное МДС срабатывания А
Минимальное МДС отпускания А
Максимальный коэффициент возврата
Минимальный коэффициент возврата
Таблице 6.2 Технические данные геркона КЭМ-2.
Для обеспечения его срабатывания необходима МДС F=65A. Считая ток срабатывания известным (Iср=30А) определим число витков обмотки реле W.
где W- число витков шт;
F- максимальное МДС срабатывания А;
Iср- ток срабатывания А.
Можно принять W=3 витка.
В основе расчёта магнитной цепи геркона лежит закон полного тока:
где H- вектор напряжённости магнитного поля;
d- длина пути интнгрирования.
Учитывая что в данном случае обмотка наматывается на корпус геркона можно принять что L- это длина баллона и [11] если обмотку располагать так чтобы контакты были на осевой линии обмотки в её центре. Если обмотка находится на торце баллона то напряжённость H уменьшится почти в 2 раза. Таким образом перемещая обмотку вдоль баллона можно в некоторых пределах отрегулировать чувствительность реле.
Если же выходное переменное напряжение по какой-либо причине снизится освещение фотодиода оптрона прекратится микросхема DA1 перейдет в активное ток протекающий через обмотку реле превысит установленное значение замкнутся контакты геркона К 1.1. На входе FC (вывод 1) микросхемы DA1 появится высокий уровень и выходы микросхемы переключатся в состояние низкого уровня вызывая быстрое закрывание транзисторов VT5 и VT6 и резкое уменьшение потребляемого тока. После этого несмотря на то что контакты геркона К1.1 будут разомкнуты микросхема DA1 останется в заблокированном состоянии (низкий уровень на выходах).
Для запуска преобразователя необходим перепад напряжения на входе IN (вывод 3) DA1 что достигается либо кратковременным отключением питания либо кратковременным замыканием конденсатора С1 Для этого можно установить кнопку без фиксации контакты которой подключить параллельно конденсатору С1 (на схеме рис. 1 не показана).
Поскольку выходное напряжение - меандр для его сглаживания и приближения к синусоидальной форме установлен конденсатор С8. Светодиод HL1 выполняет функцию индикатора наличия выходного напряжения преобразователя.
Трансформатор Т1 выполнен на основе промышленного ТС-180 от блока питания лампового телевизора. Все его вторичные обмотки удаляют а сетевую на напряжение 220 В оставляют. Она служит выходной обмоткой преобразователя. Полуобмотки 1.1 и I.2 наматывают проводом ПЭВ-2 18. Они содержат по 35 витков. Начало одной обмотки соединяют с концом другой и получают среднюю точку первичной обмотки.
Детали устройства кроме трансформатора Т1 диодного моста VD4 и конденсатора С8 расположены на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 15 2 мм чертеж которой показан на рис. 2. Транзисторы VT5 VT6 впаяны в плату и привинчены через слюдяные прокладки к металлической пластине размерами 40x30 мм служащей теплоотводом. Винты крепящие транзисторы изолированы от пластины фторопластовыми трубками и стеклотекстолитовыми шайбами. Выводы обмоток I припаяны к контактным лепесткам привинченным к фланцам транзисторов. Ниже на приведённом рисунке 6.3 показана схема расположение деталей на печатной плате и её габаритные размеры
Рисунок 6.3 Показана схема расположение деталей на печатной плате.
Сечение токоведущих дорожек по которым протекает большой ток увеличивают напаиванием на них дополнительных проводников и валиков из припоя.
Подбором резистора R3 устанавливают необходимую частоту выходного напряжения преобразователя а подбором резистора R12 - амплитуду выходного напряжения равную 215 220 В при минимальном питающем напряжении (10 В).
АВР (Автоматический ввод резерва) — позволяет переключить питание объекта на резервное питание от АКБ при отсутствии централизованного электроснабжения. В качестве контролирующего устройства используется реле контроля напряжения марки РКН-1-1-15 АС220В УХЛ2 которое позволяет автоматически контролировать наличие напряжения в централизованной сети и при его отключении переходить на резервный источник питания.
Реле предназначено для защиты электрооборудования от работы на пониженном или повышенном напряжении из-за неполадок в сети. Питание реле осуществляется от контролируемого напряжения отдельного напряжения питания не требуется.
Технологические характеристики реле приведены в таблице 7.2.
Номинальное напряжение Uном
Максимальное допустимое напряжение питания
Минимальное допустимое напряжение питания
Контроль перенапряжения
Контроль снижения напряжения
Точность установки порогов напряжения
Гистерезис напряжения порога срабатывания
Мощность потребляемая от сети
Максимальный коммутируемый ток при активной нагрузке: АС 250 В 50 Гц (АС1) DC 30 B (DC1)
Коммутируемая мощность
Максимальное напряжение между цепями питания и контактами реле
АС2000В 50 Гц (1 мин).
Механическая износостойкость циклов не менее
Электрическая износостойкость циклов не менее
Количество и тип выходных контактов
переключающая группа
Температура хранения
Климатическое исполнение и категория
Таблица 7.2. Основные технические данные реле контроля напряжения.
Реле устанавливается на монтажную шину DIN EN 50022 с передним подключением проводов питания коммутируемых электрических цепей. Конструкция клемм обеспечивает надежный зажим проводов сечением до 25 кв. м. На лицевой панели расположены: сверху регулятор верхнего порога срабатывания снизу регулятор нижнего порога срабатывания а между ними – регулятор установки задержки времени срабатывания а также индикатор включения напряжения питания «U» (зеленый) и индикатор срабатывания встроенного электромагнитного реле «R» (зелёный).
Окружающая среда – взрывобезопасная не содержащая пыли в количестве нарушающем работу реле а так же агрессивных газов в концентрациях разрушающих металлы и изоляцию. Вибрация мест крепления реле с частотой от 1 до 100 Гц при ускорении до 98 мс². Воздействие по сети питания импульсных помех амплитудой не превышающей двойную величину номинального напряжения питания и длительностью не более 10 мкс. Воздействие электромагнитных полей создаваемых проводом с импульсным током амплитудой до 100 А расположенным на расстоянии не менее 10 мм от корпуса реле.
Диаграмма работы реле представлена на рисунке 7.4. При подаче питания если установлена задержка срабатывания и напряжение сети находится в диапазоне между верхним и нижним установленными порогами напряжения встроенное электромагнитное реле включится по окончании отсчета времени задержки t если она установлена. При этом контакты реле 11-14 замыкаются и включается индикатор «R». Если напряжение в сети стало больше верхнего порога или меньше нижнего встроенное электромагнитное реле выключается по окончании отсчета времени задержки срабатывания (контакты 11-12 замыкаются). Когда контролируемое напряжение возвращается в норму реле включается по окончании задержки срабатывания.
Рисунок 7.4. Работа реле контроля напряжения.
ВЫБОР АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
Электрический аккумулятор— химический источник тока многоразового действия. Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.
Выбор АБ производиться в зависимости от среднегодовой скорости ветра в районе применения . Характеристики некоторых АБ которые могут быть рекомендованы для использования в энергоустановке приведены в таблице 8.2
Таблица 8.2. Характеристики аккумуляторных батарей.
Номинальное напряжение В
Продолжение таблицы8.2
Номинальная емкость Ач
Завод автономных источников тока
Преимущество батарей типа “6СТ” – низкая стоимость недостаток - небольшой срок службы.
Преимущество батарей типа “ТНЖ” – большой срок службы. Недостатки батарей типа “ТНЖ” следующие. Во-первых относительно большая стоимость. Во-вторых из-за большого разброса напряжения в процессе работы емкость данной батареи может быть недоиспользована так как рабочий диапазон напряжения АБ шире чем диапазон входного напряжения обычного инвертора.
Из приведенной таблицы видно что при прочих равных условиях выгодно использовать дорогие батареи с длительным сроком службы так как они окупаются через несколько лет. Необходимое напряжение обеспечивается путем последовательного соединения элементов. Параллельное соединение допускается только для некоторых специальных типов АБ.
Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда то есть пропусканием тока в направлении обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов объединенных в одну электрическую цепь называют аккумуляторная батарея. Емкость аккумуляторов обычно измеряют в ампер-часах.
Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие типы аккумуляторных батарей которые представлены ниже в таблице 8.3.
свинцово-кислотные (Lead Acid)
автомобили электропогрузчики штабелеры электротягачи аварийное электроснабжение источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые (NiCd)
замена стандартного гальванического элемента троллейбусы.
никель-металл-гидридные (NiMH)
замена стандартного гальванического элемента электромобили
литий-ионные (Li-ion)
мобильные устройства электромобили
литий-полимерные (Li-pol)
мобильные устройства
никель-цинковые (NiZN)
замена стандартного гальванического элемента
Таблица 8.3. Разновидности аккумуляторных батарей.
По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с большим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 110 номинальной емкости аккумулятора (в ампер·часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации например NiMH аккумуляторы чувствительны к перезаряду литиевые— к переразряду напряжению и температуре. NiCd и NiMH аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти заключающийся в снижении ёмкости в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом то есть они постепенно теряют заряд даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.
Железо - воздушный аккумулятор;
Железо - никелевый аккумулятор;
Лантан - фторидный аккумулятор;
Литий - железо-сульфидный аккумулятор;
Литий - ионный аккумулятор;
Литий - полимерный аккумулятор;
Литий - фторный аккумулятор;
Литий - хлорный аккумулятор;
Натрий - никель- хлоридный аккумулятор;
Натрий - серный аккумулятор;
Никель - кадмиевый аккумулятор;
Никель – металл - гидридный аккумулятор;
Никель - цинковый аккумулятор;
Свинцово -водородный аккумулятор;
Свинцово - кислотный аккумулятор;
Свинцово - оловянный аккумулятор;
Свинцово - цинковый аккумулятор;
Серебряно - кадмиевый аккумулятор;
Серебряно - цинковый аккумулятор;
Цинк - бромный аккумулятор;
Цинк - хлорный аккумулятор.
1 Расчёт аккумуляторной батареи
Имея пиковую мощность 300 Вт и предположительное время работы от резервного источника питания 6 часов КПД инвертора неизвестен принимаем КПД инвертора равным 80% и определим ток разрядки аккумулятора:
Iраз. акб = WUи = A; (8.11)
где Iраз. акб- ток разрядки аккумуляторной батареи;
W- пиковая мощность Вт;
U – напряжение АКБ В;
и – КПД инвертора %.
Расчитав ток разряда аккумулятора по имеющимся данным рассчитаем ёмкость аккумуляторной батареи
E = I * H = А*час; (8.12)
где E- ёмкость аккумуляторной батареи А*час;
H- время работы потребителя от резервного источника электроснабжения h.
E = 3125 * 6 = 1875 А*час.
Поскольку требуемое время работы равно 6 часам нужно увеличить рассчитанную емкость на 20%. Получим 225 А*час.
По имеющимся данным произведём выбор аккумуляторной батареи: принимаем 2 батареи VARTA 110 Ач.
ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Опасные и вредные производственные факторы возникающие при строительстве эксплуатации и выводе из эксплуатации наземных ветроэнергетических установок в общем сходны с возникающими на других крупных промышленных и инфраструктурных объектах. К нам могут относиться физические опасные факторы такие как высотные объекты эксплуатация оборудования с вращающимися элементами и падение предметов. Вопросы предупреждения и устранения этих и иных физических химических биологических и радиологических опасных факторов рассматриваются в Общем руководстве по ОСЗТ.
К числу вредных и опасных производственных факторов характерных для объектов и работ в области ветроэнергетики прежде всего относятся высотные работы.
Необходимость в высотных работах может возникнуть при строительстве в том числе при монтаже компонентов ветрогенератора а также при проведении технического обслуживания во время эксплуатации. В целях предотвращения и нейтрализации опасных факторов связанных с высотными работами необходимы в частности следующие меры:
Проверка целостности сооружения до начала работ;
-Реализация программы мер по защите от падения с высоты включающие в числе прочего обучение технике подъёма на высоту и приёмам предохранения от падения; осмотр техническое обслуживание.
-Разработка параметров использования системы полной защиты от падения (обычно при работе на высоте более 2 м над рабочей поверхностью; иногда в зависимости от вида работ это значение может увеличится до 7 м). Система защиты от падения должна соответствовать конструкции опоры и характеру необходимых перемещений включая подъём спуск и позиционное перемещение;
-Установка на элементах башен креплений облегчающих использование систем защиты от падения;
-Обеспечение работников надлежащими индивидуальными страховочными системами для высотных работ. Соединительные элементы на страховочных системах должны быть совместимы с элементами башен к необходимо заменять до появления признаков старения или заметного изнашивания волокон;
-При работе на высоте с металлическим инструментом работники должны использовать второй(страховочный) предохранительный пояс;
-До начала работ с опор или сооружений следует удалить вывески и другие препятствия;
-Для подъёма и спуска инструментов или материалов для работников ведущие высотные работы на сооружениях следует использовать сумки для инструментов установленного образца;
-Избегать проведения работ по монтажу или техническому обслуживанию башен в которым они присоединяются;
-Предохранительные пояса должны быть изготовлены из нейлоновых верёвок двойной свивки диаметром не менее 16 мм (58 дюйма) или материала равноценной прочности. Верёвочные предохранительные пояса;
-Неблагоприятных погодных условиях особенно если существует риск ударов молнии.
2 Требования безопасности при эксплуатации внедряемой ветроэнергетической установки.
-Эксплуатация ВЭУ должна быть организованна таким образом чтобы обеспечить ее энергетически технически и экономически эффективную эксплуатацию. Гарантия качества эксплуатации ВЭУ является неотъемлемой частью и результатом совокупности обеспечения качества проектирования конструирования производства поставки управления эксплуатации и обслуживания ВЭУ и всех её составных частей.
-Гарантия качества является неотъемлемой частью и результатом совокупности обеспечения качества проектирования конструирования производства управления эксплуатации и обслуживания ВЭУ и всех её составных частей.
-На основании настоящего стандарта СТО 000-00п.2.22 и инструкцией по эксплуатации оборудования на ВЭУ должны быть разработаны местные инструкции.
-Знание обязательного стандарта обязательно для персонала участвующего в разработке согласовании и утверждении местных инструкций по эксплуатации.
-Знание местных инструкций составленных на основании настоящего стандарта обязательно для потребителя.
-При эксплуатации ВЭУ должен быть обеспечен безопасный надёжный и экономичный режим работы оборудование ВЭУ в соответствии с инструкциями по эксплуатации оборудования бесперебойная работа оборудования в допустимых режимах надёжное действие устройств контроля защиты и автоматики.
-Потребитель осуществляющий управление ВЭУ должен располагаться на уровне земли.
-Допускается размещать пульт управления ВЭС в помещении пригодном для условий эксплуатации ветрогенератора при условии организации быстрого доступа для ремонта ВЭУ.
-Профилактические испытания ВЭУ должны быть организованны в соответствии с инструкциями эксплуатации электрооборудования.
-Текущий ремонт оборудования ВЭУ а также проверка его действий производить по мере необходимости в зависимости от их назначения и технического состояния.
-ВЭУ - сложное техническое устройство сочетающее в себе аэродинамическую и электротехническую части. Малейшее несоблюдение сборки ВЭУ или ее эксплуатации может привести к ее поломке и причинению как материального ущерба так и вред здоровью а также находящихся рядом людей.
-Необходимо полностью изолировать подключаемые провода и кабели.
-При первых запусках ВЭУ необходимо наблюдение за работой ВЭУ в течение 2-3 часов и внимательно отнестись к возможным вибрациям стукам хлопкам свидетельствующим о неправильной работе ВЭУ и немедленно остановить ее работу.
-Запрещается производить первый пуск ВЭУ при скорости ветра более
мc (соответствует среднему ветру).
-Запрещается вносить конструктивные и регулировочные изменения в конструкцию ВЭУ.
-Запрещается подавать любое напряжение на электрогенератор для его запуска.
-Запрещается подключать любые выходы электрогенератора и блока ОЭЗА к сети электричества или любому другому источнику электроэнергии.
-Необходимо принять комплекс мер по защите ВЭУ от попадания молнии.
3 Охрана окружающей среды
Работа по сооружению объектов ветроэнергетики обычно включают: расчистки земельных участков для строительных площадок и подъездных путей; земляные работы взрывные работы и сброс породы в отвалы; транспортировку оборудования материалов и горючего; закладку фундаментов в том числе земляные работы и заливку бетона; эксплуатацию кранов для разгрузки и монтажа оборудования; ввод нового оборудования в эксплуатацию. Работы по выводу объектов из эксплуатации могут включать демонтаж компонентов инфраструктуры объекта и рекультивацию земельных участков.
К числу экологических проблем связанных с этими работами по сооружению и выводу из эксплуатации объектов ветроэнергетики могут в частности относиться шум и вибрация. Поскольку обычно проекты использования энергии ветра реализуются в отдельных районах транспортировка оборудования и материалов при сооружении этих объектов и выводе их из эксплуатации могут быть сопряжены с логическими проблемами. Рекомендации по решению этих проблем ОСЗТ посвящённым вопросам окружающей среды на этапах строительства и вывода из эксплуатации.
К числу экологических проблем характерных для реализации проектов использования энергии ветра и эксплуатации ветроэнергетических установок относятся:
Воздействие на визуальное восприятие
Проблемы света и освещения
3.1 Воздействие на визуальное восприятие
ВЭУ способна оказывать воздействие на визуальное восприятие зависящая от ее размещения и восприятия местным населением. Воздействие ВЭУ на визуальное восприятие обычно связано с самим ветрогенератором и с тем как он сочетаются с ландшафтом местности.
С целью предотвращения и ограничения отрицательного воздействия на визуальное восприятие необходимо сделать следующие меры:
- Учитывать характер ландшафта при размещении ветрогенераторов;
- При выборе места размещения ветрогенератора учитывать его воздействие восприятие под всеми соответствующими углами наблюдения;
- Поддерживать единообразный размер и конструкцию ветрогенератора (например направление вращения высоту);
- Окрасить ветрогенератор в единообразный цвет чтобы совпадал с оттенком неба (светло-серый или бледно-голубой) нанесения опознавательных знаков;
- Избегать нанесения на генератор надписей эмблем рекламы или графических изображений чтобы не отвлекать внимание.
В процессе работы ВЭУ издают шум. Основными источниками шума являются механические и аэродинамические. Источником механического шума может быть оборудование в гондоле а аэродинамического – взаимодействия потока воздуха с лопастями генератора и башней. Существует несколько видов аэродинамического шума в том числе низкочастотный низкочастотный импульсный тональный и непрерывный широкополосный. Кроме того шум может усиливаться с повышением скорости вращения лопастей турбины поэтому турбины конструкция которых обеспечивает снижение скорости вращения при сильном ветре оказываются более «тихими».
Меры по предотвращению и ограничению воздействия шума связаны в основном со стандартами проектирования. Например источником широкополосного шума является воздушная турбулентность позади лопастей и уровень этого шума растет с увеличением скорости вращения лопастей. Уровень этого шума можно ограничить за счет использования турбин с переменной скоростью или лопастей с изменяемым углом наклона что позволяет снизить скорость вращения.
3.3 Мелькание тени и блеск лопастей
Мелькание тени наблюдается когда солнце проходит позади ветрогенератора и он отбрасывает тень. При вращении ветроколеса тени проходят по одному и тому же месту в результате чего и наблюдается эффект известный как мелькание тени. Мелькание тени может стать проблемой в случае если жилые дома расположены вблизи ветроэлектростанции или определенными образом по отношению к ней.
Подобно мельканию тени блеск лопастей или башен имеет место в случае когда солнечные лучи отражаются под определенным углом от лопастей ветроколеса или от башни. Это может оказать воздействие на местное население поскольку солнечные лучи отражающиеся от лопастей ветроколеса могут быть направлены в сторону соседних домов. Блеск лопастей – это временное явление характерное только для ветрогенераторов; обычно он исчезает после нескольких месяцев эксплуатации после того как лопасти загрязнятся. 1920
ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Последовательность расчета:
Расчет капитальных вложений (инвестиций).
Расчет эксплуатационных затрат.
Расчет экономической эффективности проекта.
Для оценки экономической эффективности проекта используют следующие показатели: чистый дисконтированный доход (ЧДД) индекс доходности (ИД) срок окупаемости инвестиций (Т ок).
Расчет экономической эффективности применения ветроустановки (ВУ) для электроснабжения жилого домапроводится на основании действующих методик стандартов и нормативных документов с учетом среднегодового уровня инфляции. Основным показателем экономической оценки применения предлагаемой ветроустановки (ВУ) являются себестоимость получаемой электрической энергии.
В соответствии с принятыми положениями критерием эффективности должно быть:
где сЭ – стоимость вырабатываемой электроэнергии рубкВт.ч.;
ZСЭ – затраты на создание и эксплуатацию системы электроснабжения руб.;
W – количество потребленной электроэнергии за весь срок службы системы электроснабжения кВт.
Если срок службы альтернативных систем электроснабжения уравнять (а это возможно путем учета эксплуатационных затрат) то потребляемая энергия будет одна и та же при любой системе так как определяется потребителем а не поставщиком энергии. Это позволяет вместо стоимости потребляемой электроэнергии в качестве критерия эффективности использовать затраты на создание и эксплуатацию системы электроснабжения.
Таким образом ветроустановки (ВУ) будет эффективна в том случае когда затраты на ее создание и эксплуатацию не будут превышать аналогичных затрат для конкурирующей системы. Это может произойти не только из-за экономии средств на покупку электроэнергии или топлива но и за счет экономии капитальных вложений. То есть в некоторых случаях например когда альтернативой выступает сетевая система электроснабжения могут потребоваться большие денежные средства уже на стадии строительства конкурирующей системы.
Для электроснабжения жилого дома на основе разработанной ветроустановки (ВУ) и ВУ выбранной для сравнения предполагаются затраты на приобретение энергетической установки и эксплуатационные издержки. В нашем случае сравниваются себестоимость производимой электроэнергии при различных вариантах электроснабжения.
Себестоимость производимой электроэнергии при любом варианте электроснабжения предлагается определять следующим образом:
где ИЭ – эксплуатационные издержки при автономном электроснабжении руб.;
tСЛ – срок службы автономной системы электроснабжения год.
Первоначальные капитальные вложения определяются стоимостью оборудования автономной системы электроснабжения с учетом монтажа.
Эксплуатационные издержки при автономном электроснабжении представляют собой прямые текущие затраты которые исчисляются по формуле:
Иэ = СТО + СР (9.15)
где СТО – затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт автономной системы электроснабжения руб.;
Ср – стоимость ресурсов необходимых для функционирования системы руб.
Затраты на эксплуатационное обслуживание определяются следующим образом:
СТО = кТО mТО сТО + кТР mТР сТР (9.16)
где mТО mТР – годовое количество технических обслуживаний и текущих ремонтов соответственно шт.;
сТО сТР – цена одного технического обслуживания и текущего ремонта соответственно рубу.е.р.;
кТО кТР – коэффициенты перевода физических ремонтов в условные единицы ремонта у.е.р.шт.
При сравнении себестоимости электроэнергии необходимо иметь базовый вариант электроснабжения. В настоящей главе сравнивается себестоимость электроэнергии по варианту базовый ветроустановки и по предлагаемому варианту разработанному в проекте.
Расчет инвестиций сведен в таблицы 9.3 и 9.4. При расчете принят коэффициент монтажа при базовом и предлагаемом варианте кМ = 15. Цены на оборудование приняты по данным рекламных проспектов прайс-листов заводов изготовителей периодических коммерческих изданий.
Таблица 10.1 - Расчет стоимости дополнительных деталей и покупных изделий.
Наименование элементов
Общая стоимость руб.
Таблица 9.4 – Расчет начальных инвестиций
Стоимость оборудования руб.
Капиталовложения руб.
Таблица 9.5 – Последовательность расчета эксплуатационных расходов и суммарные затраты
Эксплуатационные затраты руб.
Годовое потребление электроэнергии кВт.ч.
Себестоимость производимой электроэнергии руб. кВт-ч.
Таким образом предлагаемая система энергообеспечения обеспечивает увеличение капитальных вложений и снижение себестоимости электроэнергии на 488% с 34 рубкВт.ч. до 174 рубкВт.ч. соответственно что повышает ее конкурентоспособность.
Чистый дисконтированный доход используется при оценке инвестиционных проектов в связи с не равноценностью сегодняшних и будущих доходов (изменением «ценности» денег с течением времени). Для этого используется коэффициент дисконтирования (m).
Норма дисконтирования представляет собой норму прибыли на вложенный капитал. Если инвестором является само предприятие то норма дисконтирования принимается на уровне средней нормы прибыли данного предприятия. Если другое предприятие или лицо вкладывает в проект то норма дисконтирования приравнивается ставке банковского кредита.
Экономия (Эt) от внедрения конструкции может получиться за счет: сокращения эксплуатационных затрат в проектируемом варианте по изменяющимся статьям.
Получения дополнительной продукции.
где m – коэффициент дисконтирования;
Е – норма дисконтирования %
t – порядковый номер временного интервала получения дохода.
Норма дисконтирования (Е) представляет собой норму прибыли на вложенный капитал. Если инвестором является само предприятие то норма дисконтирования принимается на уровне средней нормы прибыли данного предприятия. Если другое предприятие или лицо вкладывает в проект то норма дисконтирования приравнивается ставке банковского кредита.
Расчет дисконтированного дохода (ЧДД) можно представить в следующем виде:
где Эгод – экономия получаемая от внедрения проекта тыс. руб.
Кt – капитальные вложения в проект тыс. руб.
T – срок реализации проекта лет.
t – номер временного интервала.
mt – коэффициент дисконтирования.
Индекс доходности (ИД) капиталовложений определяется по формуле:
Критерии эффективности инвестиционного проекта следующие:
ЧДД>0 положительное значение чистого дисконтированного дохода говорит о том что проект приносит прибыль. Отрицательное значение показывает что при заданной норме прибыли проект приносит убыток.
ИД>1 т. е. Сумма доходов должна превышать капитальные вложения.
Расчет чистого дисконтированного дохода представлен в таблице 9.6.
Коэф дисконтирования
Годовая экономия руб
Дисконтированный доход руб
Таблица 9.6 - Расчет чистого дисконтированного дохода
7 Технико – экономические показатели внедрения ветроэнергетической установки представлены в таблице 9.7
Наименование показателя
Капитальные вложения тыс. руб.
Потребление электроэнергии за весь срок службы тыс. кВт - ч
Годовые эксплуатационные затраты тыс. руб.
Себестоимость производства электроэнергии рубкВт - ч
Степень снижения себестоимости производства электроэнергии %
Годовая экономия от снижения себестоимости 1 кВт - ч тыс. руб.
Чистый дисконтированный доход тыс. руб.
Таблица 9.7 – Технико – экономические показатели проекта
Внедрение проектируемой ветроустановки приводит к сокращению себестоимости электроэнергии на 488% до 174 рубкВт – ч за счет этого общая годовая экономия будет получена в размере 458 тыс. руб. за весь срок эксплуатации ветроустановки будет получен чистый дисконтированный доход в размере 458 тыс. руб.
Человечество всегда загрязняло окружающую среду. Однако до последнего времени загрязнение не было такой серьезной проблемой. Люди жили в слабозаселенных сельскохозяйственных областях у них не было загрязняющих природу машин. С развитием перенаселенных промышленных городов в которых огромные количества отходов выбрасывались на маленькой площади эта проблема стала гораздо серьезнее. Автомобили и другие новые изобретения делают загрязнение все интенсивнее. В конце 60-х годов ХХ века люди начали ощущать тревогу в связи с опасностью загрязнения окружающей среды.
Проблема загрязнения среды так же сложна как и серьезна. Автомобили заполняют воздух выхлопными газами но дают людям возможность передвижения. Фабрики загрязняют воздух и воду но они предоставляют работу людям и производят необходимые товары.
Таким образом человечеству пришлось бы прекратить пользование многими полезными вещами если бы они захотели прекратить загрязнение окружающей среды сразу. Большинство людей конечно этого не захочет. И однако загрязнение может быть сокращено постепенно. Ученые и инженеры ищут пути сокращения вредных выбросов от транспорта заводов и других загрязнителей в использовании альтернативных источников энергии. Это направление очень многогранно и разнообразно поэтому я обратил свое внимание на один из возобновляемых кладезей энергии – ветроэнергетику.
Этот импульс в науке обладает огромным потенциалом и несомненно будет развиваться более масштабно еще не одно десятилетие. На мой взгляд функциональная единица ветроэнергетики – ветроэнергетическая установка – является весьма легко доступной в использовании и экономически выгодной даже для единичного потребителя. Этот факт не голословен: изучая и обрабатывая информацию по данной работе проведя расчеты и сконструировав рабочую установку ВЭУ я убедился в ее качестве и энергодинамичности испробовав ее в действии.
В итоге я считаю чтобы сохранить экологию нашей планеты жить в прекрасном настоящем и планировать свое счастливое будущее мы должны задуматься о себе и наших возрастающих потребностях уже сейчас и правильно распределить силы время и возможности человечества по пути к самосохранению. Один из этих путей – ветроэнергетика или в общем нестандартные источники энергии. Я думаю что на сегодняшний день эта проблема должна стать для нас одной из первостепенных по своей значимости.
Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. М.1984
Интернет версия журнала «Наука и жизнь»
Юндин М.А. Токовые защиты электрооборудования : Учебное пособие. – Зерноград: РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 2004. – 212с.
Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. Учебник для вузов. М. «Энергия» 1976 г.
Воронин С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА 2007. – 204с.
Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика: Учеб. пособие для сред. проф. образования: - М.: Издательский центр «Академия» 2005. – 208с.
Абук Магомедов. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение «Юпитер» г. Махачкала 1996.
Ветроэнергетика Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; В 39 под ред. Я. И. Шефтера.- М.: Энергоатам издат 1982.
Чунихин А. А. Электроаппараты: Общий курс-3е издание. перераб. и доп.-М.: Энергоатамиздат 1988.
Бесонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. 2003.
Юндин М. А. Королёв А. М. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства. – Зерноград: АЧГАА 1999.-110с.
1 Атомная энергетика
4 Проблемы развития энергетики
5 Альтернативные источники энергии
5 Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Выбор схемы обеспечения объекта энергией
Выбор основного оборудования
Расчёт токов короткого замыкания
Выбор аппаратуры управления и защиты
Опасные и вредные производственные факторы при эксплуатации ветроэнергетической установки
Технико – экономический расчёт внедрения автономной системы электроснабжения

Ивертор.cdw

Стабилизатор напряжения
Реле не промышленное
Принципиальная схема

Контролер.cdw

Стабилизатор напряжения
Автоматический выключатель;
Подстроичное сопротивление
Cопротивление(нихром)
Принципиальная схама

Сборочный.cdw

Лопости ветроколеса (липа)
Гандола ветрогенератора (труба пластик)
Напровляющая хвоста (алюм. профиль)
Несущая мачта (брус)
Поворотное устройство (сталь)
Носовой обтекатель (Пенопласт)
Кинематическая схема
Устройство крепления лопостей
Планетарный редуктор (1
Соеденительная муфта
Генератор ветроустановки
Общий вид ветрогенератора

Чертёж АВР.cdw

Номинальное напряжение
Минимальное допустимое напряжение питания
Максимальное допустимое напряжение питания
Контроль перенапряжения
Контроль снижения напряжения
Точность установки порогов напряжения
Гистерезис напряжения порога срабатывания
потребляемая от сети
Максимальный коммутируемый ток при
акривной нагрузке: АС 250 В
Коммутируемая мощность
Максимальное напряжение между цепями
питания и контакрами реле
Механическая износостойкость
Электрическая износостойкость
Количество и тип выходных контактов
переключающая группа
Температура хренения
Климатическое исполнение и категория размещения
Реле контроля напряжения
Централизованная сеть 220 В

Экономика.cdw

Наименование показателя
Капитальные вложения
Потребление электроэнергии за весь срок службы
Годовые эксплуатационные затраты
Себестоимость производства электроэнергии
Степень снижения себестоимости производства электроэнергии
Годовая экономия от снижения себестоимости
Чистый дисконтированный доход
Технико экономические
Графическое определения срок окупаемости проекта