7511

Нетрадиционные способы получения и применения энергии

Контрольная

Энергетика

Нетрадиционные способы получения и применения энергии Главным фактором роста энергопроизводства является рост численности населения и прогресс качества жизни общества, который тесно связан с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого ...

Русский

2013-01-24

113.67 KB

67 чел.

Нетрадиционные способы получения и применения энергии

Главным фактором роста энергопроизводства является рост численности населения и прогресс качества жизни общества, который тесно связан с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого жителя Земли приходится 2 кВт, а признанная норма качества — 10 кВт (в развитых странах). Если все население Земли рано или поздно должно иметь душевое потребление 10 кВт, то с учетом теплового барьера численность населения не должна превышать 10 млрд чел. Таким образом, развитие энергетики на невозобновляемых ресурсах ставит жесткий предел численности населения планеты. Однако уже через 75 лет население Земли может достигнуть 20 млрд чел. Отсюда видно: уже сейчас надо думать о сокращении темпов прироста населения примерно вдвое, к чему цивилизация совсем не готова. Очевиден надвигающийся энергодемографический кризис. Это еще один веский аргумент в пользу развития нетрадиционной энергетики.

Многие специалисты энергетики считают, что единственный способ преодоления кризиса — это масштабное использование возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, океанической, или как их еще называют нетрадиционных. Правда, ветряные и водяные мельницы известны с незапамятных времен, и в этом смысле они — самые, что ни есть традиционные. В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом более высоком уровне развития науки и техники.

К 2010 году страны Европейского союза (ЕС) планируют увеличить использование нетрадиционных источников энергии до 8 % в общем объеме энергопотребления. По оценкам специалистов института Белэнергосетьпроект в Республике Беларусь теоретически от нетрадиционных источников энергии можно получить до 60 % от общего объема энергопотребления; техническая возможность ограничивается 20 % , а экономически целесообразно использовать 5—8 % в период до 2010 года.

Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для сопоставления и сравнения с традиционными источниками представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии

Источник

Мощность, Вт/м2

Примечание

Солнце

100—250

Ветер

1500—5000

При скорости 8—12 м/с, может быть и больше в зависимости от скорости ветра

Геотермальное тепло

0,06

Ветровые океанические волны

3000 Вт/пог.м

Может достигать 10 000 Вт/пог.м

Для сравнения:

двигатель внутреннего сгорания

турбореактивный двигатель

ядерный реактор

Около 100 кВт/л

До 1 МВт/л

До 1 МВт/л

Говоря о НВИЭ, необходимо также отметить, что многие из них на единицу произведенной электроэнергии и обеспечение функционирования требуют расхода природных источников энергии (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Энергетические потребности для производства электроэнергии при использовании возобновляемых источников

Тип энергетической установки

Расход энергии природного источника на единицу произведенной электроэнергии, отн.ед.

Установка на биомассе

0,82—1,13

ГеоТЭС

0,08—0,37

ГЭС малой мощности

        большой мощности

0,03—0,12

0,09—0,39

Солнечная фотоэлектрическая установка:

наземная

спутниковая

0,47

0,11—0,48

Солнечнаятеплоустановка (зеркала)

0,15—0,24

Приливная станция

0,07

Ветроэнергетическая установка

0,06—1,92

Волновая станция

0,3—0,58

Ветроэнергетика

Ветровая энергетика — это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием ее в электрическую. Имеются ветровые двигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Энергию ветра можно успешно использовать при скорости более 5 м/с. Недостатком является шум.

Ориентиром в определении технического потенциала Республики Беларусь могут служить официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в сложившейся структуре электропотребления таких стран, как Великобритания и Германия. Доля ветроэнергетики в этих странах оценена в 20 %.

Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. Последние инженерные успехи в строительстве ветровых генераторов, способных работать при низких скоростях, делают использование ветра экономически оправданным. Однако ограничения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных районах, значительно снижают потенциал этого источника энергии.

Наибольшая доля (до 3 %) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Строительство современных ВЭС началось здесь в конце 70-х годов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдался особенно интенсивный рост ВЭС. Принятие здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную обстановку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству электроэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так как в ЕС поставили цель вырабатывать в 2005 г. 8 тыс. МВт ветровой электроэнергии, что составляет 1 % потребностей ЕС в электроэнергии. Дания, Германия и Нидерланды должны довести к этому времени выработку электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт.

Стоимость ветровой энергии снижается на 15 % в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, а главное — имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5 % в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время превышают 25 % в год. Использование энергии ветра в различных государствах набирает силу, что находит подтверждение в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Развитие ветроэнергетики в странах мира

Государство

Мощности ветроэлектростанций, введенных в 1995 г., МВт

Суммарные действующие мощности ветроэлектростанций по состоянию на 1996 г., МВт

Германия

500

1132

Индия

375

576

Дания

98

637

Нидерланды

95

219

Испания

58

133

США

53

1654

Швеция

29

69

Китай

14

44

Италия

11

33

Другие

57

370

Всего

1289

4897

Опыт освоения энергии ветра в развитых государствах показывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200—500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, дешевле, чем на теплоэлектростанции.

Хотя средняя скорость ветра в Республике Беларусь считается недостаточной для массового развития ветроэнергетики, у нас существуют сотни отдельных мест и территорий, на которых можно устанавливать современные ветроустановки.

По оценкам комитета экономики ТЭК и химпрома Минэкономики Республики Беларусь потенциал ветровой энергии в Беларуси составляет 150 МВт. Однако средняя скорость ветра в нашей стране — 4,1 м/с (в Голландии — до 15 м/с). Кроме того, энергия ветра — величина непостоянная, помимо ветряков, необходимо ставить резервные мощности по производству электроэнергии. В настоящее время кадастр ветроэнергетических площадок включает 800 позиций на территории Республики Беларусь.

Например, в Гродненской области вблизи деревень БогушиСморгонского, ЖитропольНовогрудского и ДебесиОстровецкого районов, где скорость ветра колеблется от 3 до 4,7 метров в секунду, запланировано строительство ветроэнергетических установок (ВЭУ). Под Минском уже установлена и работает ВЭУ мощностью 100 кВт. Роторная ветроэнергетическая установка по использованию энергетического потенциала ветра на сегодняшний день пока является нетрадиционным источником энергии, своего рода ноу-хау в области энергосбережения. По своим техническим характеристикам она не имеет аналогов в мире. Установка способна работать при скорости ветра 3 метра в секунду, что характерно для континентального климата Беларуси. Как сообщили создатели проекта — руководители ООО "Аэрола", в ближайшие два года в республике можно будет разместить 1840 площадок для ветроэнергетических установок. А их дальнейшее внедрение позволит Беларуси пятую часть энергии получать с помощью ветра. Есть готовые проекты ВЭУ на 10, 20, 50 и 300 кВт, разработанные Белорусским государственным научно-исследовательским Теплоэнергетическим институтом (БелТЭИ).

Расчеты, выполненные специалистами НАН РБ, НПО "Вет-роэн", НИИ Белэнергосетьпроект показали, что энергия ветра может позволить ежегодно производить 6,5—7,0 млрд кВт-ч электрической энергии, что эквивалентно использованию около 2 млн т у.т. в год.

Однако следует учитывать, что ветроагрегаты используют не весь потенциал энергии ветра, поэтому при внедрении важно определить количественные показатели ВЭУ по степени утилизации ветроэнергоресурсов.

Уже сейчас экономически целесообразна установка ВЭУ на Минской возвышенности, в Верхнедвинской зоне, возле Солигорска, озера Нарочь.

Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетика — получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, собранные из большого числа последовательно и параллельно соединенных элементов, получили название солнечныхбатарей.

Получение электроэнергии от лучей Солнца не дает вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Солнечные батареи занимают много места. Однако в сравнении с другими источниками, например с углем, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в богатых солнцем пустынях.

Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской местности и в отдаленных районах, дают более дешевую электроэнергию. И, конечно, солнечных лучей по всему земному шару найдется больше, чем других источников энергии.

Жители отдаленных районов используют энергию солнечных батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое применение солнечной энергии следует отметить также при подъеме воды из скважин и на нужды здравоохранения.

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость, которая в будущем, вероятно, снизится благодаря развитию более эффективных и дешевых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 дол.за 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт-ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путем сжигания топлива. Когда же цена производства солнечной энергии сравняется с ценой энергии от сжигания топлива, оно получит еще более широкое распространение, причем с начала 90-х гг. темпы роста гелио-энергетики составляют 16 % в год, в то время как мировое потребление нефти растет на 1,5 % в год.

Возможно использование солнечной энергии для получения тепловой, в частности, для отопления жилищ.

Однако в условиях нашей страны 80 % энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жилье, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразным.

На основании двадцатилетнего периода наблюдения установлено, что средняя продолжительность солнечного сияния в Беларуси составляет 1815 часов в год. Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность — 980—1180 кВт-ч/м2. Наиболее благоприятным для применения теплосистем является период с апреля по сентябрь. Проведенный сравнительный анализ продолжительности солнечного сияния и прихода суммарной солнечной радиации в странах Западной Европы с умеренным климатом, расположенных между 50 и 60 °с.ш., показал, что Беларусь по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения с этими странами, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Данию, Великобританию. Эти государства наряду с "солнечными странами" считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования.

В Республике Беларусь целесообразны три варианта использования солнечной энергии:

• пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов "солнечной архитектуры". Расчеты показывают, что количество энергии, падающей на южную сторону крыши домов площадью 100 м2 на широте Минска, вполне хватает даже для отопления зимой (при том, что 10 % солнечной энергии аккумулируется летом и затраты на отопление квадратного метра в отопительный сезон составляют 70 кВт-ч при хорошей теплоизоляции стен, полов, потолков). Размеры дешевого гравийного теплового аккумулятора под домом при этом вполне приемлемы: 10 х 10 х 1,5 м3. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа — немецкий Международный Образовательный Центр (IBB) в Минске;

  1.  использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;
  2.  использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

На теплоснабжение зданий используется около 40 % всего расходуемого топлива. В Беларуси существующие дома имеют теплопотребление более 250 кВт-ч/м2. Если проектирование зданий проводить с учетом энергетического потенциала климата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20—60 %. Так, строительство на принципах "солнечной архитектуры" может снизить удельное годовое теплопотребление до 70—80 кВтч/м2.

Солнечные коллекторы позволяют обеспечить такие дома теплом, а также теплой водой для нужд проживающих в них людей.

Результаты экспериментальных исследований позволили выбрать материалы, конструкцию гелиоколлекторов и схемы гелиоустановок. Разработан и внедрен ряд гелиоводоподогревателей производственного и бытового назначения.

В настоящее время финансируется создание отечественной установки на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, еще несколько установлено в чернобыльской зоне. Солнечные коллекторы, вырабатывающие тепло, рекомендуется устанавливать в коттеджах и загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы (их число и площадь может варьироваться в зависимости от требований конкретного проекта) и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант — система с четырьмя коллекторами — позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семью из 4—5 человек. Благодаря большой площади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество солнечной энергии даже в пасмурную погоду, а теплонакапитель большой вместимости (более 500 л) позволяет создать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности здания в горячей воде. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления. Стоимость оборудования варьирует в пределах 900—3500 дол. США.

Кроме того, в Республике Беларусь организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. В зависимости от конкретных условий можно получить установку любой производительности. Основой гелиосистем является пленочно-трубочный адсорбирующий коллектор. Он обладает высокой адсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращаются в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготовляются из специальных материалов, исключающих коррозию или замерзание. Пробные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках и т.д. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой емкости. Приблизительная цена систем составляет 400 дол. США.

Однако в целом в ближайшее время на значительное увеличение доли солнечной энергетики в Беларуси рассчитывать не приходится. Но специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50 %.

Интересны примеры использования солнечной энергии в разных странах.

В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в тепловой энергии на 40—50 % за счет использования энергии Солнца.

В Германии (под Дюссельдорфом) проводились испытания солнечной водонагревательной установки площадью коллекторов 65 м2. Эксплуатация установки показала, что средняя экономия тепла, расходуемого на обогрев, составила 60 % , а в летний период — 80—90 %. Для условий Германии семья из 4 человек может обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6—9 м2.

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 90 % , в переходный период — на 55—65 %, в зимний — на 30 %.

В Австрии установлено, что для обеспечения 80 % теплой водой в жилых сельских домах на 1 человека требуется установка солнечных коллекторов с поверхностью 2—3 м2 и емкостью бака для воды 100—150 л. Установка площадью 25 м2 с емкостью для нагретой воды на 1000—1500 л обеспечивает теплой водой 12 человек или небольшой сельский двор.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка энергии солнечными энергоустановками составляет соответственно 870 000, 290 000, 255 200, 174 000 МВт-ч в год.

В целом по Европейскому союзу вырабатывается 185600 МВт-ч в год (по данным 1992г.).

Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают: США — 10 млн м2, Япония — 8 млн м2, Израиль — 1,7 млн м2, Австралия — 1,2 млн м2. В настоящее время 1 м2 солнечного коллектора вырабатывает электрической энергии:

4,86—6,48 кВт-ч в сутки;

1070—1426 кВт-ч в год.

Нагревает воды в сутки:

420—360 л (при 30 °С);

210—280 л (при 40 °С);

130—175 л (при 50 °С);

90—120 л (при 60 °С).

Экономит в год:

электроэнергии — 1070—1426 кВт-ч;

условного топлива — 0,14—0,19 т;

природного газа — 110—145 нм3;

угля — 0,18—0,24 т;

древесного топлива — 0,95—1,26 т.

Площадь солнечных коллекторов 2—6 млн м обеспечивает выработку 3,2—8,6 млрд кВт-ч энергии и экономит 0,42—1,14 млн т у.т. в год.

Биоэнергетика

Биоэнергетика — это энергетика, основанная на использовании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев) и получение биогаза. Биогаз — смесь горючих газов (примерный состав: метан — 55—65 %, углекислый газ — 35—45 %, примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода), образующаяся в процессе биологического разложения биомассы или органических бытовых расходов. Способы промышленного получения биогаза известны с конца прошлого века (1885 г.). В мире эксплуатируется более 8 млн установок для получения биогаза.

Биомасса — наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Под термином "биомасса" подразумеваются любые материалы биологического происхождения, продукты жизнедеятельности и отходы органического происхождения. Биомасса будет на Земле, пока на ней существует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десять раз больше годового потребления энергии всем человечеством на современном этапе.

Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на несколько основных групп.

  1.  Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).
  2.  Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).
  3.  Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).

4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

Однако наличие биомассы даже в большом количестве еще не означает решения проблемы получения из нее различных продуктов и веществ, в том числе топлива. Непереработанная же биомасса приносит непоправимый вред окружающей среде.

В настоящее время древесные отходы уже находят применение: созданы установки, осваивается технология производства генераторного газа и его сжигание. Специалисты считают, что при правильном использовании древесины, древесных отходов и быстрорастущих лесных насаждений может быть покрыто 15 % потребностей в топливе. При современном объеме потребления это составит около 6 млн т у.т.

В настоящее время использование биомассы дает в Китае более 6 % всей потребляемой тепловой энергии, в США — 6 % , в странах ЕС — 5,7 %, в Бразилии — 32,9 %, в Беларуси — 1,6 %.

Переработка биомассы в топливо осуа;ествляется по трем основным направлениям.

Первое: биоконверсия, или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.). В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ. Так по научному называется компостирование и биоподогрев, о чем знает каждый огородник.

Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твердых органических веществ (дерева, торфа, угля) в "синтез-газ", метанол, искусственный бензин, древесный уголь.

Третье: сжигание отходов в котлах и печах специальных конструкций. В мире сотни миллионов тонн таких отходов сжигаются с регенерацией энергии. Прессованные брикеты из бумаги, картона, древесины, полимеров по теплотворной способности сравнимы с бурым углем.

Например, в нашей стране, на Поставском льнозаводе освоена японская технология производства теплобрикетов из отходов переработки льна, которые по теплоотдаче не уступают каменному углю. Кстати, технология позволяет делать теплобрикеты из древесных опилок, бытового мусора. А к настоящему времени на свалках в Беларуси скопилось столько отходов, что если их перевести в нефтяной эквивалент, то получится около 600—700 тыс. т нефти в год. К этому направлению можно было бы отнести и сжигание дров в бытовых печах. Но дрова почему-то выведены из понятия биомассы, хотя одна шестая часть годового потребления топлива в мире приходится на древесину и около трети всех срубленных деревьев используется для приготовления пищи и отопления. Реальное потребление древесного топлива в три раза превышает уровень, который показывает статистика. Около половины населения мира использует для приготовления пищи (а это 4/5 расхода энергии в домашнем хозяйстве) и отопления главным образом дрова.

В условиях Беларуси развитие биоэнергетики наиболее экономически целесообразно и технически осуществимо, так как биомасса — вид топлива, которого у нас с избытком и не использовать который было бы непростительной ошибкой.

Под биомассой ученые и специалисты нашей страны понимают, в первую очередь, древесную кору, стружку, опилки, мусор, деревья на зараженных радиацией территориях. Специалисты БелТЭИ указывают, что при нынешнем использовании древесных отходов как топлива экономически оправдано увеличение объема использования древесных отходов в качестве топлива до 2 млн т условного топлива. В Институте проблем энергетики Национальной Академии наук Республики Беларусь завершается серия исследований по возможности использования радиоактивной древесины в качестве топлива.

Малая гидроэнергетика

В настоящее время признанных единых критериев причисления ГЭС к категории малых гидростанций не существует. У нас принято считать малыми гидростанции мощностью от 0,1 до 30 МВт, при этом введено ограничение по диаметру рабочего колеса гидротурбины до 2 м и по единичной мощности гидроагрегата — до 10 МВт. ГЭС установленной мощностью менее 0,1 МВт выделены в категории микро-ГЭС.

Малая гидроэнергетика в мире в настоящее время переживает третий виток в истории своего развития. Строительство первых ГЭС началось еще в прошлом веке, когда они предназначались для энергоснабжения отдельных заводов и поселков. Затем темпы их строительства замедлились из-за конкуренции небольших тепловых электростанций. Второй этап массового строительства малых ГЭС пришелся на конец 40-х — начало 50-х гг., когда тысячи малых гидростанций строились колхозами, совхозами, предприятиями и государством. В 80—70-х гг. сотни и тысячи малых ГЭС были выведены из эксплуатации либо законсервированы, либо ликвидированы из-за быстрого развития большой энергетики на базе крупных тепловых гидравлических и атомных станций.

На третьем витке возрождение малых ГЭС, естественно, происходит на новом техническом уровне основного энергетического оборудования, степени автоматизации и компьютеризации.

Согласно водноэнергетическому кадастру 1960 г. потенциальная мощность рек Беларуси, подсчитанная на основании данных об их падении и водоносности, составляет 855 МВт или 7,5 млрд кВт ч в год. Технически возможные к использованию гидроэнергоресурсы оцениваются в 3 млрд кВт-ч в год.

Освоение гидроэнергетического потенциала Беларуси получило существенное развитие в 1950-е гг. за счет строительства малых гидроэлектростанций, в числе которых в 1954 г. введена в эксплуатацию крупнейшая из них, ныне действующая Осиповичская ГЭС на р.Свислочь мощностью 2250 кВт. Всего в республике в начале 60-х гг. действовало 179 ГЭС общей установленной мощностью 21 тыс. кВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 млнкВтч.

Однако дальнейшее проектирование и строительство ГЭС в условиях Беларуси было свернуто в конце 50-х гг., к чему в основном побудили представившиеся возможности электроснабжения сельского хозяйства путем подключения сельских потребителей к государственным энергосистемам. Большинство из построенных ГЭС затем были выведены из эксплуатации, поскольку характеризовались относительно высокой себестоимостью вырабатываемой ими электроэнергии, что обычно присуще мелким энергообъектам. Оставшиеся к началу 90-х гг. 6 ГЭС вырабатывали 18,6 млн кВт-ч в год. Имется возможность дальнейшего освоения потенциала малых рек за счет восстановления ранее действующих ГЭС, строительства новых малых ГЭС без дополнительного затопления земельных угодий и за счет освоения промышленных водосбросов.

В настоящее время начато восстановление и строительство малых мини-ГЭС. В течение 1991 —1994 гг. было восстановлено 4 ГЭС:

Добромысленская (Витебская обл.) — 200 кВт;

Гонолес (Минская обл.) — 250 кВт;

Войтовщизненская (Гродненская обл.) — 150 кВт;

Жемыславльская (Гродненская обл.) — 160 кВт.

В Беларуси технически возможно и экономически целесообразно восстановить и соорудить новые ГЭС общей электрической мощностью 100—120 МВт, что эквивалентно ежегодной выработке электроэнергии 300—360 млн кВт-ч или ежегодной экономии 100 тыс. т у.т.

Кроме того, можно использовать гидроэнергетический потенциал существующих на малых реках водохранилищ неэнергетического назначения путем пристройки к ним ГЭС общей установленной мощностью 6 тыс. кВт с годовой выработкой электроэнергии 21 млн кВт-ч.

В планах энергетиков — строительство каскада гидроэлектростанций на Западной Двине. Начато строительство первой из них мощностью 29 МВт. Запланированы две ГЭС на Немане мощностью 45 МВт, однако сроки строительства пока не определены.

Завершена разработка проекта по сооружению каскада малых ГЭС на реке Котра, что неподалеку от Гродно. На каждой из них намечено установить по 4 турбины мощностью 50 кВт каждая. За последние годы на Гродненщине, которая, кстати, лишь на 30 % обеспечивается собственной электроэнергией, сооружены три малые ГЭС. Еще несколько из числа ранее действовавших восстановлены. В настоящее время реконструируются еще две, на очереди — строительство так называемой испытательной ГЭС, которая разместится на приграничном Августовском канале и будет использоваться для обучения обслуживающего персонала станций и проверки новых технологий, различных типов и модификаций гидротехнического оборудования. По оценке специалистов, за счет малых ГЭС только на Гродненщине можно получать ежегодно несколько десятков миллионов киловатт-часов электроэнергии. Здесь разработана программа развития малой и нетрадиционной энергетики, которая рассчитана до 2010 г. Предусмотрено сооружение более двух десятков малых ГЭС на реках и водохранилищах, а также свыше 10 ветроэнергетических установок.

В настоящее время в Беларуси общая мощность 11 малых ГЭС составляет около 7 тыс. кВт, или 0,8 % ее возможных к техническому использованию гидроэнергоресурсов. Для сравнения:в Китае их освоено 12 %.

В современных условиях Беларуси использование энергии течения рек представляется перспективным путем решения проблемы уменьшения зависимости энергетики республики от импорта топлива, что также будет способствовать улучшению экологической обстановки.

Другие виды нетрадиционной энергетики

Геотермальная энергетика — получение энергии от внутреннего тепла Земли. Различают естественную и искусственную геотермальную энергию — от природных термальных источников и от закачки в недра Земли воды, других жидкостей или газообразных веществ ("сухая" и "мокрая" геотермальная энергетика). Данный вид энергетики широко применяется для бытовых целей и отопления теплиц. Имеются геотермальные ТЭС. Недостаток — токсичность термальных вод и химическая агрессивность жидкостей и газов.

Космическая энергетика — получение солнечной энергии на специальных геостационарных спутниках Земли с узконаправленной передачей энергии на наземные приемники.

На этих спутниках солнечная энергия трансформируется в электрическую и в виде электромагнитного луча сверхвысокой частоты передается на приемные станции на Земле, где преобразуется в электрическую энергию. Мощность одной орбитальной станции может составить от 3000 до 15 000 МВт.

Морская энергетика базируется на энергии приливов и отливов (Кислогубская ЭС на Кольском полуострове), морских течений и разности температур в различных слоях морской воды. Иногда к ней относят волновую энергетику. Пока морская энергетика малорентабельна из-за разрушающего воздействия на оборудование морской воды. Приливная энергетика рентабельна на побережьях морей с исключительно высокими приливами.

Низкотемпературная энергетика — получение энергии с использованием низкотемпературного тепла Земли, воды и воздуха, вернее разности в температурах их различных слоев. Промышленное получение энергии с использованием разности температур на поверхности и в глубинах океана пока не выходит за рамки опытных установок.

"Холодная" энергетика — способы получения энергоносителей путем физико-химических процессов, идущих при низких температурах и сходных с происходящими в растениях. Например, разложение воды на асимметричных мембранах под воздействием солнечного света. Молекула воды распадается на водород и кислород, скапливающиеся по разные стороны этой мембраны. Водород затем используют как энергоноситель. КПД таких мембран в последние годы удалось заметно повысить, а цену — понизить. Вероятно, это перспективный путь. Предполагается, что водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленности, сельскохозяйственном производстве. Сжигание водорода не дает вредных выбросов, но он взрывоопасен.

Управляемая термоядерная реакция. Физики работают над освоением управляемой термоядерной реакции синтеза ядер тяжелого водорода с образованием гелия. При таком соединении выделяется громадное количество энергии, гораздо больше, чем при делении ядер урана.

Доказано, что основная доля энергии Солнца и звезд выделяется именно при синтезе легких элементов. Если удастся осуществить управляемую реакцию синтеза, появится неограниченный источник энергии.

Ученые уверены, что в начале следующего тысячелетия получение энергии за счет термоядерного синтеза превратится из чисто теоретической концепции в обыденную реальность.

Весьма перспективными являются энергетические установки, преобразующие одни виды энергии в другие нетрадиционными способами с высоким КПД.

Тепловую энергию в электрическую преобразует магнито-гидродинамический генератор (МГД), который относится к перспективным устройствам (рис. 2.4).

Плазма (ионизированный газ) с добавкой легко ионизирующего вещества (≈1 % Na или К) поступает в канал МГД-генератора при 3000°С и разгоняется в нем. Электропроводная плазма пересекает силовые линии магнитного поля, при этом положительные ионы отклоняются в одну, а отрицательные — в другую сторону. Концентрация положительных и отрицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный или отрицательный потенциал; пластины становятся источником ЭДС. При замыкании электродов на внешнюю цепь возникает ток. КПД ТЭС с МГД-генераторами -60 % .

Большой интерес уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую — созданию топливных элементов. Распространение получили низкотемпературные (t= 150°С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей КОН). Топливом в элементах служит водород, окислителем — кислород из воздуха.

Рис. 2.4. Схема МГД- генератора:

1 — камера сгорания; 2 — МГД-канал; 3 — магнитная система; 4 — электроды

Образование электроэнергии в элементе — это процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образованием нового соединения — продукта реакции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема водородно-кислородного элемента:

1 — катод; 2 — электролит; 3 — анод

Отличие реакции в элементе от реакции окисления при горении в том, что в нем процессы протекают с точки зрения термодинамики обратимо, т.е. разность энергий электронов у исходных веществ и продуктов реакции непосредственно превращается в электроэнергию (упорядоченное движение электронов). При горении же химическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, молекул и их частей.

Суммарная реакция в элементе имеет вид:

2 + Ог → 2Н2О (продукт реакции).

КПД элементов выше 90 % . Нет топок, котлов, турбин, генератора, но пока их мощность мала.

Один из способов прямого преобразования энергии — использование термоэмиссионных генераторов (ТТ) (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема термоэмиссионного генератора (ТГ):

1 — катод; 2 — подводимая теплота; 3 — отводимая теплота; 4 — анод

Термоэмиссионный генератор (ТГ) — это два плоских (или коаксильных) электрода, разделенных промежутком и включенных в цепь с нагрузкой. На катод от источника теплоты поступает энергия, достаточная для поддержания термоэлектронной эмиссии (процесс самопроизвольного испускания электронов с поверхности тела в окружающую газовую среду или вакуум). В процессе эмиссии электронов катод охлаждается, электроны из катода попадают на анод. При этом электроны отдают аноду часть своей кинетической энергии, нагревают его и создают избыток их на аноде. Избыток электронов стекает по внешней цепи вновь на катод, таким образом, идет постоянный ток. Промежуток между горячей и холодной пластинами заполняют парами цезия, у которых атомы легко распадаются на ионы и электроны. КПД современных термоэмиссионных генераторов 15—20 %.

Ведутся работы по созданию энергетических установок, использующих энергию гравитации, вакуума, низких температур окружающего воздуха для обогревания помещений по принципу теплового насоса ("холодильник наоборот", морозильное отделение которого помещено на улице).

Сверхпроводящие системы передачи электроэнергии

Обсуждая новые методы преобразования различных видов энергии, нельзя не сказать об исследуемых новых технических решениях по передаче электроэнергии. Одно из наиболее интересных направлений в этой области - это применение эффекта сверхпроводимости. Способность металлов обладать практически нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, получила название сверхпроводимости. Создание криогенных ЛЭП, работающих в условиях низких температур, представляет сложную научную и инженерную проблему. Однако существующие высоковольтные линии практически исчерпали заложенные в них возможности. По пути к потребителю в линиях электропередач теряется до 15—25 % энергии.

Использование сверхпроводимости равноценно введению дополнительных мощностей электростанций. Нынешние высоковольтные ЛЭП напряжением 500 кВт позволяют транспортировать мощности около 1 млн кВт. Однако существующий уровень электрификации требует передачи мощностей, превышающих указанный в 5 — 7 раз, но если для этого дополнительно увеличить напряжение, то воздух перестанет быть падежным изолятором и надо будет изготовлять опоры ЛЭП отдельно для каждой фазы. Если сейчас коридор отчуждаемых земель в зоне ЛЭП составляет 300 м, то при напряжении 1,5 млн В потребуется зона отчуждения шириной около 2—3 км. Легко можно определить площади, которые должны быть изъяты из нормального природопользования. Вот почему проблема создания сверхпроводящих линий электропередач непосредственно связана с решением вопросов оптимального использования природных ресурсов. Но предварительным технико-экономическим оценкам, сверхпроводящие ЛЭП могут уже в обозримом будущем найти применение в крупных городах.

Переход от воздушных к кабельным сверхпроводящим системам позволяет не только сэкономить полезные площади, но и ликвидировать физиологическую опасность электромагнитного воздействия от воздушных ЛЭП на организм находящихся в этой зоне людей.

Вопросы энергосбережения могли бы в значительной мере решаться при широком применении сверхпроводников в процессах производства, преобразования, транспортировки, аккумулирования и подведения энергии. В электроэнергетике сверхпроводники могут найти применение в электрических двигателях и генераторах, трансформаторах и преобразователях, индуктивных накопителях энергии, линиях электропередач, реакторах, токоограничителях.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50344. Снятие кривой намагничивания ферромагнитного образца 68 KB
  Расчетные формулы: Индукция намагничивающего поля: где N1 число витков намагничивающей обмотки тороида; D длина осевой линии тороида. Магнитная индукция в образце: или B=cn где постоянная где R2 сопротивление вторичной цепи; kбаллистическая постоянная; S2 площадь поперечного сечения образца; nотброс.Результаты наблюдений: Снятие основной кривой намагничивания Намагни чивающий ток I1 мА Индукция B0 намагничивающего поля Тл Отброс 1 вправо дел. Индукция В...
50346. Изучение магнитного поля соленоида баллистическим методом 40.5 KB
  Изучение магнитного поля соленоида баллистическим методом. Результаты измерения индукции поля в центре соленоида в зависимости от силы тока в его обмотках: № П П n1 мм n2 мм n=1 2n1n2 мм Вэ Тл 1.Результаты измерения индукции поля соленоида в зависимости от расстояния до его центра при I= мА N см n1 мм n2 мм n=1 2n1n2мм Вэ Тл 7.Расчеты поля в центре Вт при токе I= 7.
50347. Изучение эффекта Холла 74 KB
  Кирова кафедра физики Изучение эффекта Холла. Расчетные формулы: где где N=40 1 число витков катушки; Ом – общее сопротивление цепи; Кл дел– баллистическая постоянная гальванометра; м2 – площадь витков катушки; n’ – отброс; RH – постоянная Холла; UН – ЭДС Холла; n – концентрация свободных частиц; толщина датчика Холла....
50348. Заповнення багатокутників 143 KB
  Програмно реалізувати алгоритм визначення попадання точки в трикутник. Реалізувати найпростіший алгоритм заповнення певним кольором довільного контуру із заданим кольором межі.Малювання зафарбованого трикутника:
50349. Разработка графического интерфейса пользователя с применением технологии javabeans 84 KB
  Цель работы: получение практических навыков работы по созданию компонентов JavaBeans и их применению при разработке графического пользовательского интерфейса.
50350. Терморезисторные измерительные преобразователи. Измерение температуры 7.57 MB
  Цель работы Ознакомление с устройством и применением терморезисторных измерительных преобразователей термисторов изучение их функций преобразования измерение температуры при помощи термистора и знакомство с современными средствами сбора и обработки экспериментальных данных. Последние называются термисторами. Чувствительным элементом металлического термистора является тонкая медная или платиновая проволока. Функция преобразования зависимость сопротивления термистора Rt от его температуры ТК может быть выражена формулой 4.
50351. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости 87 KB
  Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Если мысленно разрезать поверхность по какойлибо произвольной линии то сила сцепления между обеими частями вызванная притяжением молекул находящихся по обе стороны линии будет тем больше чем больше её длина L; Другими словами сила поверхностного натяжения F будет прямо пропорциональна длине контура: Коэффициент пропорциональности  представляющий собой силу поверхностного натяжения действующую на единицу длины...
50352. Расчет удельного заряда электрона методом магнетрона 87 KB
  Схема электрической цепи: А П2 К П1 К3 К2 К1 А – амперметр для измерения силы тока в соленоиде; микроамперметр для измерения анодного тока; V – вольтметр для измерения анодного напряжения; П1 и П2 регуляторы тока и напряжения. Результаты измерений: Зависимость анодного тока от тока в соленоиде...