Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

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.

1.6 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.

1.7 Энергия солнца

   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 28,5 % 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 3,5 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 1,5 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).

1.8 Ветер

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175…219 тыс.ТВт*ч  в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20…25)*10⁹ кВт. Это  примерно в 2,7 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 5,1МВт(одна установка мощностью 600 кВт  и 20 – по 225 кВт), построенного в Калининградской области. Кроме того, построена Анадырская  ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 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.