87821

Відновлювальні джерела енергії: потенціал та використання в Україні та у світі

Лекция

Физика

Починаючи з 19 сторіччя, в період швидкого розвитку техніки, головними джерелами енергії стали природні копалини – вугілля, нафта, природний газ та енергія великих річок, які зараз відносять до традиційних джерел енергії. Крім того, пізніше, до традиційних джерел енергії так само стали відносити енергію атома.

Украинкский

2015-04-23

165.5 KB

9 чел.

Лекція 5.

Тема: Відновлювальні джерела енергії: потенціал та використання

в Україні та у світі

1. Використання традиційних та відновлюваних джерел енергії.

2. Ресурсна база відновлюваних джерел енергії.

3. Потенціал ВДЕ на території України.

Великою нацією нас робить не наше багатство,

а те, як раціонально ми його використовуємо

1. Використання традиційних та альтернативних джерел енергії.

Протягом тисячоліть, основними видами енергії, що використовувалися людиною, були хімічна енергія деревини, потенційна енергія води на греблях, кінетична енергія вітру та промениста енергія сонячного світла.

Починаючи з 19 сторіччя, в період швидкого розвитку техніки, головними джерелами енергії стали природні копалини – вугілля, нафта, природний газ та енергія великих річок, які зараз відносять до традиційних джерел енергії. Крім того, пізніше, до традиційних джерел енергії так само стали відносити енергію атома.

Традиційні джерела енергії перетворюють у теплову або електричну енергію з використанням спеціальних станцій – теплоелектростанцій, гідроелектростанцій або атомних електростанцій. Коефіцієнт корисної дії (ККД) перетворення традиційних джерел енергії на таких станціях невеликий (десятки відсотків).

Двома основними недоліками використання традиційних джерел енергії є:

– традиційні ресурси не відновлюються, отже термін їх використання обмежений, і вже зараз існує необхідність пошуку нових методів виробництва енергії;

 використання традиційних ресурсів для отримання корисної енергії призводить до серйозних екологічних наслідків – забруднення оточуючого середовища.

Якщо виходити з розвіданих запасів деяких видів палива та однакових темпів їх споживання в майбутньому, то можна стверджувати, що їх вистачить ще років на 80, а завдяки ймовірним і можливим резервам цей строк збільшується до 200 років.

Україна володіє потужним потенціалом паливно-енергетичного сектора, причому деякі підгалузі мають надлишкові потужності, що, вочевидь, перевищують потреби держави (потужності нафто- та газопереробних підприємств, виробництва електроенергії). Протягом останніх років достатньо стабільно працювала ядерна енергетика, трубопровідне транспортування нафти і газу, видобуток і переробка вугілля. Водночас орієнтація виключно на вітчизняні паливно-енергетичні ресурси призвела до критичних рівнів зношення обладнання та устаткування підприємств енергетичної галузі. Як наслідок, на сьогодні 96% устаткування теплових електростанцій вже відпрацювали свій ресурс, а 73% – перевищили граничний.

З 36 млн. кВт потужності ТЕС навантаження можуть нести лише 17 млн. кВт, а інші потребують термінового ремонту. Внаслідок інтенсивної експлуатації газотранспортної системи значна частина магістральних газопроводів, компресорного та іншого обладнання потребують негайної реконструкції; 60% газоперекачувальних агрегатів вже відпрацювали свій ресурс, а 75% – не відповідають екологічним нормам, внаслідок чого на власні потреби газотранспортної системи (як паливо) використовується понад 6% обсягів транспортованого газу. Без відповідних капіталовкладень в основні фонди енергетична галузь приречена на поступову деградацію в міру виробітку технічного ресурсу встановленого устаткування.

До альтернативних джерел енергії (АДЕ) відносять енергію сонця, вітру, морів і океанів, теплоти землі, біомаси, малих річок та вторинні ресурси, що існують постійно або періодично виникають у навколишньому середовищі.

Підйом температури навколо Землі на 3,5°С вчені вважають критичним, що може спричинити незворотні екологічні наслідки. Саме це є граничним фактором, який обмежує кількість промислових об’єктів, що скидають надмірну теплоту в навколишнє середовище. Вирішення екологічних проблем на даний час є дуже важливою, складною та дорогою задачею, якій великі підприємства, що спричиняють ці проблеми, на жаль, майже не приділяють уваги.

Використання АДЕ має, в цьому сенсі, безперечні переваги, адже майже не спричиняє негативних екологічних наслідків. Деякій екологічний вплив, від експлуатації станцій, що використовують альтернативні джерела енергії, звісно, є, але він зводиться до мінімуму при правильній організації та охороні праці, дотримання технологічних норм при роботі з шкідливими речовинами і т.п.

Безперечною перевагою АДЕ є, також, і те, що їх потенціал постійно відновлюється, а, отже, термін використання необмежений. Тому в рамках національних енергетичних програм розвинутих країн світу велика увага приділяється використанню саме поновлюваних (альтернативних) джерел енергії – сонячної, вітрової, геотермальної і т.д.

Посилені розробки ведуться в США, Англії, Канаді, Франції, Німеччині, Швеції, Данії й інших країнах.

Отже, переваги АДЕ не викликають сумнівів: вони є практично невичерпним джерелом енергії, майже не впливають на навколишнє середовище, не мають побічних продуктів, не потребують додаткового перевезення й переробки палива.

На ряду з перевагами використання АДЕ, вони мають декілька недоліків, які на даний час обмежують їх широке використання.

Головним недоліком АДЕ є мала густина потоку енергії – необхідні великі поверхні для переробки АДЕ в практично необхідних масштабах , а отже – великі споруди станцій. Енергія АДЕ розосереджена, і частка, можлива для використання людиною, на сучасному рівні розвитку техніки є малою – недостатньою для забезпечення людини в загальних масштабах. Наприклад, для вироблення однакової кількості енергії сонячною електростанцією (СЕС) порівняно зі звичайною тепловою електростанцією (ТЕС) необхідні розміри СЕС мають бути у 300 разів більші, ніж розміри ТЕС; а для виробництва однакової кількості енергії площа вітряної електростанції має бути у 2500 разів більше за площу атомної електростанції (АЕС).

Другим недоліком АДЕ є значна нерівномірність вироблення енергії залежно від часу доби та пори року, що потребує застосування складних та дорогих систем акумулювання енергії або дублювання потужностей за рахунок традиційних енергоресурсів. Нерівномірність розміщення АДЕ, також, обмежує їх застосування – вони можуть використовуватися тільки в найбільш сприятливих за концентрацією районах.

Висока капіталоємність енергетичних установок і споруд навіть при досить сприятливих експлуатаційних характеристиках джерела та ефективному способі його використання, є, на даний час основним недоліком, що обмежує широке використання енергетичних установок на базі АДЕ в Україні.

2. Ресурсна база альтернативних джерел енергії.

Виникнення обох видів джерел енергії – і традиційних, і альтернативних – завдячує багатовіковій та безперервній діяльності Сонця, яке є основним джерелом енергії на Землі. Вся енергетична система Землі складається з двох частин – динамічного потоку сонячної енергії та статичного запасу енергії, який має сама планета, тобто запасів органічного палива, ядерної та геотермальної енергії.

Традиційні джерела енергії – корисні копалини (вугілля, торф, нафта) виникли, також, завдяки діяльності Сонця.

2.1. Промениста енергія сонця. Сонячна енергія – одне з найбільш значних джерел енергії на нашій планеті, якими розташовує людство. Потужність сонячного випромінювання, яка припадає на 1 м кв земної поверхні становить біля 1 кВт, а на площу, поверхнею 100x100 км - біля 10 млрд. кВт. Сонячну енергію можна перетворювати в теплову і електричну енергію. Сонячна енергія може використовуватися для енергопостачання будинків, опалення, нагрівання води й кондиціювання повітря, електроживлення супутників, створення спеціальних сонячних печей, температура яких сягає 3000°С.

2.2. Вітроенергетика. Потенційні запаси енергії вітру на земній кулі приблизно в 2,7 разів більше сумарних витрат енергії на планеті. Однак, згідно розрахунків може бути використано лише 5% цієї енергії. Енергія вітру використовується людиною з давнини – вітрильні кораблі, вітряні млини, тощо.

Енергію вітру, в основному, перетворюють на електричну енергію для електропостачання малих одиночних об’єктів (одиничні вітряки) або великих об’єктів – потужних вітроенергетичних станцій (ВЕС).

2.3. Енергія морів і океанів. Енергія морських хвиль, припливів і відливів. Використовуються вертикальні підйоми і спади води, горизонтальне переміщення хвиль, концентрація хвиль у збіжному місці, таким чином, щоб напір води міг крутити турбіну. Енергія припливів і відливів обумовлена впливом сонця й місяця, у деяких місцях висота підйому води доходить до 7-13 м, подекуди навіть до 15 м.

Енергія морських хвиль, припливів і відливів зосереджена на узбережжях країн СНГ, Франції, Китаю.

Теплову енергія океану можна перетворювати в механічну роботу, якщо є джерела з потрібними термальними рівнями. Температура верхніх шарів океанів (морів) прогрітих сонцем, досягає 26-30°С, на глибині кілька сотень метрів температура води складає 4-7°С. Температурний градієнт може досягати 26°С.

У результаті, на базі сонячної енергії, акумульованої водами морів і океанів, можуть бути створені електростанції нового типу – термоградієнті. Перша така установка була створена на Кубі в 1930 році.

Енергія океанських течій. В океані безупинно переміщаються величезні маси води: Гольфстрім, пасатні течії, протитечії й т. д. Ці "річки в океані" мають часом довжину багато тисяч кілометрів, при ширині в десятки, а деколи і сотні кілометрів, і глибині до 300-500 м. Енергія течій колосальна; при переміщенні 1 млн. м куб води зі швидкістю 1 м/с вона еквівалентна 10000 МВт.

Більшості течій притаманний постійний режим, незалежно від породних умов, часу доби або року, що робить їх придатними для виробництва корисної енергії.

Енергія різниці солоності. Одержання енергії в цьому випадку ґрунтується на явищі осмосу. Деякі різновиди природних і штучних тонких перегородок (мембран), що розділяють солоний розчин і воду, мають здатність самовільно "пропускати" чисту воду убік розчину. Чисельно це явище характеризується осмотичним тиском розчину, що створює потенціал між солоною й прісною водою. "Осмотична потужність" стоків прісних рік в світовий океан становить приблизно 2,6 млрд. кВт.

2.4. Геотермальна енергія. Геотермальна енергія є практично невичерпним джерелом енергії для людини. Джерело геотермальної енергії – нагріта вода (пара) з надр земної кори. На даний час термальні води широко використовуються для опалення й гарячого водопостачання ряду країн – Ісландія, Австралія, Нова Зеландія, Італія. На даний час усьому світі працює близько 20 геотермальних електростанцій, а їх загальна потужність складає біля 1,5 тис. МВт.

2.5. Біоенергетика. Джерела біомаси: це ліс, відходи сільськогосподарського виробництва (солома й гній), трава, сільськогосподарські злаки, цукровий очерет, морські водорості, відходи промислової діяльності. Біомаса нетваринного походження може використовуватися для виробництва тепла. З біомаси виробляють спирти – метанол і етанол та біогаз.

Україна має величезний потенціал для розвитку ринку біопалива. Сприятливе поєднання кліматичних умов, величезний потенціал в аграрному секторі та доступна робоча сила роблять її надзвичайно привабливою для потенційних інвесторів, оскільки це передбачає величезну кількість позитивних змін для національної економіки в цілому. Природна середня врожайність зернових культур – 26 ц/га (більше, ніж на ґрунтах країн Європи і більшості країн світу).

Можливості сировинної бази, безперечно великі. Якщо Україна буде сіяти, а це цілком можливо, три мільйони гектарів олійних культур, включаючи насамперед ріпак, це буде дев’ять мільйонів тонн насіння або 3,5 млн. тонн біодизельного палива, тобто 100-відсоткова потреба агропромислового комплексу на рік.

В Україні існує декілька причин розвитку ринку біопалива, починаючи з енергетичної безпеки, диверсифікації національного виробництва, підтримки інновацій, і закінчуючи високою мотивацією зростання аграрного сектору, екологічною безпекою завдяки відновлювальним джерелам енергії.

2.6. Енергія малих річок. Верхня границя потужності обладнання малої гідроенергетики складає 30 МВт. Згідно міжнародній класифікації, до малих гідроелектростанцій (МГЕС) відносяться станції потужністю від 1 до 30 МВт, до міні ГЕС – від 100 до 1000 кВт, до мікроГЕС – не більше 100 кВт.

Загальний потенціал гідроенергетичних ресурсів світу складає 2200 ГВт. Загальний річний гідроенергетичний потенціал малих річок України складає 12,5 млрд. кВт год., або 28 % загального гідропотенціалу всіх річок України.

В Україні нараховується більше 63000 малих річок та водостоків, загальною довжиною 135,8 тис. км., з яких біля 60 тис. (95%) дуже малі – довжиною менше 10 км (басейни рік Вісли, Південний Буг, Дунаю, Дністра, Дніпра і т.д.).

Заміна дизельних та бензинових електричних установок на мікро-ГЕС, як правило, є вигідною, не кажучи вже про позитивні біологічні наслідки. Малі водосховища виконують роль біологічної очисної споруди і сприяють збільшенню кисню у воді нижнього б’єфа після пропуску її через гідротурбіни, що дає позитивний екологічний ефект.

На даний час на території України збереглося 150 малих ГЕС, з яких 49  працюючи, решта – непрацюючі. Отже сучасний стан малої гідроенергетики в Україні можна охарактеризувати, як незадовільний: обладнання застаріле, значна його частина потребує ремонту або знаходиться у граничному стані. Перспективи розвитку малої гідроенергетики України визначені Програмою державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро і теплоенергетики.

2.7. Воднева енергетика. Одним з важливих напрямків розвитку нетрадиційної енергетики є воднева енергетика, яка займається вирішенням проблем, пов’язаних з застосуванням водню, як енергоносія та акумулюючого середовища. Універсальність застосування водню в якості енергоносія дозволяє прогнозувати в майбутньому виникнення такої галузі енергетики, як воднева енергетика.

Водень повною мірою відповідає вимогам, що ставляться до енергоносіїв: він легко накопичує енергію, зручний при транспортуванні, є екологічно чистим та енергоємним. З енергетичної точки зору, водень – це єдина альтернатива нафті та природному газу.

Сучасні дослідження показують, що водень може використовуватися для всіх енергетичних потреб в промисловості (до 85%), побуті та індивідуальних потреб (до 92%).Він може замінити природний газ для побутових потреб, замінити бензин у двигунах внутрішнього згоряння, спеціальні види пального у ракетній техніці, ацетилен у процесах сварки, кокс у металургійних процесах і т.п.

На даний час до 95% маси водню отримується з використанням органічної сировини – шляхом парової конверсії метану, парокисневої конверсії, газифікації вуглецю і т.п. Проведення наукових розробок у цій галузі продемонструвало, що найбільш ефективним методом отримання водню є електроліз води (і, навіть, з використанням сонячної енергії). Але ресурси сучасної електроенергетики недостатні для такого видобутку водню. Воднева енергетика займається пошуками дешевих первинних джерел енергії, а також вдосконаленням процесів видобутку енергії з водню. В Україні науково-дослідні розробки щодо акумулювання, зберігання та використання водню проводяться в Києві, Харкові та Одесі.

За ступенями освоєності АДЕ можна поділити на чотири групи:

1. Джерела енергії, освоєні в широкому масштабі. Такі АДЕ мають стійкі техніко-економічні показники. До них належать гідроенергія та біомаса (насамперед деревне паливо). Перспективи більш широкого використання гідроенергії пов’язані лише зі збільшенням їх техніко-економічних показників. Перспективу широкого застосування біомаси мають лише органічні відходи сільськогосподарського виробництва, промисловості та комунально-побутового сектора. Пряме використання деревини, як палива, має бути обмежене.

2. Джерела енергії, освоєні на даний час ще в малому масштабі – їх техніко-економічні показники залежать від конкретних умов. До таких АДЕ належать геотермальна енергія (термальні води і пароводяні суміші) та енергія вітру.

3. Джерела енергії, що перебувають на стадії освоєння і мають великі перспективи, якщо їх техніко-економічні показники будуть значно поліпшені – сонячна енергія, органічні відходи (анаеробне зброджування), низькопотенціальна теплота (використання за допомогою теплових насосів).

4. Джерела енергії, що перебувають на стадії гіпотетичних розробок, оцінки ефективності яких досі недостатньо обґрунтовані – енергія океану в усіх її видах, теплота сухих земних порід і т. ін. Для техніко-економічної оцінки широкого використання цих АДЕ на даний час недостатньо теоретичних даних.

3. Потенціал АДЕ на території України.

У наш час найбільшим джерелом забруднення атмосферного повітря в Україні є енергетика – галузь, що використовує до 40% усього органічного палива, не враховуючи ще й промислову, муніципальну та сільську енергетику, які використовують до 60% органічного палива. На долю енергетичної галузі України перепадає 29% шкідливих викидів, у тому числі: 30% твердих речовин, 63% сірчистого ангідриду та 57% оксидів азоту. Навіть без урахування наслідків Чорнобильської катастрофи питоме забруднення на одиницю території України є одним з найбільших в Європі.

“Зони екологічного лиха” займають 15% території України: Чорнобильська зона відчуження, Донбас, Кривбас, Придніпров’я, Придністров’я, північний Крим, узбережжя Чорного та Азовського морів. Аналіз територіального розміщення неблагополучних регіонів показує, що в цих регіонах можуть бути ефективно експлуатуватися установки, що використовують АДЕ.

Використання АДЕ у запланованих об’ємах дозволить значно зменшити кількість шкідливих викидів в навколишнє середовище, і, відповідно, зменшити витрати на їх знешкодження при застосуванні органічного палива.

Для більш точної оцінки енергетичного потенціалу АДЕ, який може бути практично використаний людиною, він поділяється на три види: загальний, технічний та економічно доцільний.

Загальний або валовий потенціал (теоретичний потенціал) – загальна кількість енергії, якою характеризується кожне джерело енергії.

Технічний потенціал або потенціальний енергоресурс – частина енергії загального потенціалу, яку можливо реалізувати з використанням сучасних технічних засобів.

Економічно доцільний потенціал – кількість енергії, яку доцільно використовувати з урахуванням економічних, екологічних, техніко-технологічних та політичних факторів.

Загальний річний потенціал АДЕ перевищує потенціальні запаси традиційних джерел енергії у 15 разів, і, майже, у 80 разів – розвідані запаси традиційних джерел енергії. Технічний потенціал дещо перевищує сучасну кількість споживання енергії, а доцільно економічний потенціал може бути вище його на 40-45%. Це свідчить про великий потенціал АДЕ, який має бути розвинений найближчим часом.

Для природно-кліматичних умов України найперспективнішим є освоєння таких видів АДЕ, як: в першу чергу виробництво нетрадиційного палива (біогаз, спирти), в другу – геотермальна, на третьому місці – технологічний потенціал (ефективне використання промислової теплоти, що скидається; підвищення ККД енергоустановок), на четвертому місці – сонячна та вітрова енергія та мала гідроенергетика.

В Україні великі термальні зони на глибинах менше 4 км зосереджені в Криму та Карпатах. Загальний потенціал підземних вод регіонів Прикарпаття та Криму складає 1,5 млн. м куб на добу або 550 млн. м куб на рік. Ресурси геотермальної енергії в України по тепловому еквіваленту перевищують запаси традиційного палива.

Виробництво нетрадиційного палива планується за рахунок біомаси, біогазу, паливного етанолу та ріпаковометилових сполук.

Запаси сонячної енергії на території України оцінюються 1000-1400 кВт/м кв., вітрової – 80 кВт/м кв, хвильової енергії Чорного моря – 10 кВт/м кв.

Вітрова енергетика має розвиватися, в першу чергу, на Кримському півострові, берегах Чорного й Азовського морів, у районі Карпатських гір.

У південних районах України виправдане будівництво комбінованих сонячно-теплових електростанцій (СТЕС). Планується будівництво 3-4 СТЕС.

Лекція Тема: Сонячна енергетика

1. Характеристика сонячної енергії та енергетичного балансу Землі.

3. Фізичні основи використання сонячної енергії.

4. Основні завдання та перспективність розвитку сонячної енергетики.

СРС 1. Напрями використання та характеристика відновлюваної енергії морів і океанів

Сонце – головний генератор життя на Землі,

що випромінює найпотужніший потік відновлюваної енергії

1. Характеристика сонячної енергії та енергетичного балансу Землі.

Сонце – це, по суті, воднева бомба, термоядерний реактор, у якому з атомів водню синтезуються атоми гелію. При цьому перетворенні вивільнюється енергія у формі випромінювання різних видів, яке утворює неперервний спектр із хвилями різної довжини.

Маса Сонця в 330 тис. разів перевищує масу Землі. Під впливом власної гравітації його речовина в центрі знаходиться під величезним тиском і має таку високу температуру, що там виникають ядерні реакції. Вони супроводжуються виділенням енергії, яку Сонце безперервно випромінює в навколишній простір. Відносно невелике ядро складає більшу частину маси Сонця і майже повністю визначає його світність.

Величезна кількість сонячної енергії постійно надходить на Землю: так усього за 15 хвилин Сонце посилає нам стільки енергії, скільки вистачає людству на цілий рік, долаючи 149 млн. км за 8 хв. 15 секунд.

Вся енергетична система нашої планети складається з двох основних частин:        І – динамічного потоку енергії над поверхнею Землі;

             ІІ – статичного запасу енергії в надрах Землі (органічне паливо, ядерна та геотермальна енергія).

В результаті цього на поверхню Землі та в атмосферу направлено три потоки енергії:       1. Сонячне випромінювання потужністю 174410 ТВт.

                         2. Гравітаційна енергія планет (3 ТВт).

                         3. Тепловий потік із середини Землі (30 ТВт).

Біля 30% (52000 ТВт) сонячного випромінювання відбивається в космічний простір і не впливає на енергетичний баланс Землі. Решта 70% сонячного випромінювання потужністю 122410 ТВт, що в 3710 разів перевищує потужність двох інших потоків енергії, складає основну частину енергетичного балансу Землі. Приймаючи її за 100%, вона розподіляється наступним чином:

1. відбиття від поверхні Землі – 5%;

2. відбиття хмарами – 20%;

3. поглинання атмосферою – 25%;

4. розсіювання в атмосфері з потраплянням на Землю – 23%;

5. пряме потрапляння на Землю – 27%.

Перша частина цієї енергії (82000 ТВт) поглинається атмосферою (океаном – 71%, сушею – 29%) і перетворюється в теплову енергію, яку за допомогою технічних пристроїв можна використовувати у вигляді теплової та електричної енергії.

Під дією другої частини енергії (40000 ТВт) відбувається випаровування, циркуляція води та випадання опадів, що призводе до виникнення течій річок, морів і океанів (теплова енергія).

Третя частина енергії (370 ТВт) утворює температурні перепади, що зумовлюють виникнення атмосферних потоків повітря (кінетична енергія вітру).

Четверта, сама мала частина енергії (40 ТВт або 0,03%) загального потоку енергії, поглинається рослинами і внаслідок проходження процесів фотосинтезу накопичується у вигляді органічних сполук.

Гравітаційна енергія планет зумовлює припливи та відпливи морів і океанів.

Таким чином, виникнення, існування та розвиток різних форм життя на Землі цілком залежить від енергетичних джерел, дарованих Сонцем і накопичених у надрах нашої планети.

При спалюванні палива виділяється запасена в ньому сонячна енергія. Проте цей процес екологічно шкідливий – він отруює атмосферу токсичними речовинами. Забруднення навколишнього середовища досягло небачених розмірів. При збереженні тенденцій, що намітилися, через 20-30 років емісія вуглекислого газу в біосферу планети досягне 43 млрд. т, діоксиду сірки - 355 млн. т, об’єм зіпсованої води становитиме 15 трильйонів 270 млрд. тонн.

Тому реальним виходом із даної ситуації є використання сонячної радіації, що є невичерпним джерелом екологічно чистої енергії.

2. Фізичні основи використання сонячної енергії.

Сонце не тільки створює сприятливий клімат для життя на планеті, але й дає нам могутній потік невичерпної енергії. Пряме використання сонячної енергії поділяється на теплове, термоелектричне та фотобіологічне перетворення. Таким чином основна проблема на шляху використання сонячної енергії – як вловити найбільшу частину потоку сонячної енергії та з найменшими втратами перетворити її на дані види енергії.

2.1. Теплове використання сонячної енергії

Сонячна енергія найефективніше може бути використана як теплова. Перевагою таких систем є високий ККД, який сягає 45-60%, а в разі застосування концентраторів – 80-85%. Перетворення сонячної енергії в теплову обумовлене здатністю речовин поглинати електромагнітне випромінювання, внаслідок чого їх температура зростає. Широкого розповсюдження набуло використання низькотемпературних сонячних систем, де теплоносій нагрівається до 100-200ºС. Проте іноді потрібні більш високі температури, і з цією метою використовують різного типу концентратори (дзеркальні поверхні – фокони, що мають V-подібну у перетині форму) сонячного випромінювання, що дозволяє досягати значно вищих температур (до 3000ºС – плавка металів).

При тепловому використанні сонячної енергії сонячні приймальні пристрої знаходять застосування в системах живлення та охолодження приміщень, у технологічних процесах, які протікають при низьких, середніх і високих температурах. Вони використовуються для одержання гарячої води, опріснення морської або мінералізованої води, для сушки матеріалів та сільськогосподарських продуктів тощо. Завдяки сонячній енергії, здійснюється процес фотосинтезу та ріст рослин, проходять різні фотохімічні процеси.

Сонячні теплові системи бувають пасивними й активними.

Пасивні системи – це, як правило, нерухомі пристрої, сонячні колектори (СК), зорієнтовані під певним кутом до горизонту на південь. Це можуть бути стіни й покрівля будинків, на яких розташовуються СК. У певний спосіб пофарбовані, засклені, вони дають можливість одержувати за рахунок сонячної радіації низькотемпературне тепло, що використовується для обігрівання, вентиляції приміщень, підігрівання води тощо.

Пасивні сонячні системи застосовуються протягом багатьох років – теплиці, тераси будинків, спрямовані на південь. На цих системах базується такий важливий напрямок в енергетиці і будівництві, як «сонячна архітектура». Роль її особливо зросла в останні роки, коли вартість палива й експлуатації звичайних опалювальних систем збільшились у багато разів і коли ми навчились оцінювати втрати навколишнього середовища за рахунок його забруднення. Досвід показує, що пасивні сонячні системи дають змогу забезпечити від 30 до 60% тепла, потрібного для обігрівання й гарячого водопостачання приміщень.

Активні теплові сонячні системи мають особливі пристрої, за допомогою яких сонячні колектори, «стежать» за розташуванням Сонця. У таких системах досягаються температури від 100 до кількох тисяч градусів Цельсія.

Сонячні колектори (СК) – це основні елементи теплових сонячних систем, як пасивних, так і активних. Як правило, вони бувають плоскі й містять трубчасті або плоскі теплообмінники, в яких нагрівається теплоносії за рахунок поглинання сонячної радіації. Розрізняють колектори з природною і вимушеною (за допомогою насосів) циркуляцією теплоносія.

Плоскі колектори – найпоширеніший вид сонячних колекторів, що використовують переважно в системах гарячого водопостачання; для систем опалення й кондиціювання, як нагрівачі води і повітря, для одержання пари низького тиску. Встановлюють їх безпосередньо як невід’ємний елемент стіни або покрівлі будинку з оптимальною орієнтацією в залежності від пори року.

Зазвичай це теплоізольована металева конструкція зі скляною або пластмасовою кришкою, куди поміщена пофарбована в чорний колір пластина абсорбера (поглинача). Сонячне світло проходить через скління і потрапляє на поглинаючу пластину, яка нагрівається, перетворюючи сонячну радіацію на теплову енергію, що передається теплоносію – циркулюючій по трубкам рідині (може бути вода або теплоносій-антифриз із вмістом поліпропіленгліколю).

Оскільки більшість чорних поверхонь все ж таки відбиває близько 10% падаючої радіації, деякі пластини-поглиначі обробляються спеціальним селективним покриттям – геліолаком, який краще утримує поглинене сонячне світло і служить довше, ніж звичайна чорна фарба.

Поглинаючі пластини зазвичай виготовлені з металу, що добре проводить тепло (мідь або алюміній). Мідь дорожча, проте краще проводить тепло і менше схильна до корозії. Сучасні колектори поглинають до 97% сонячної енергії, а зворотне випромінювання зменшене до 10-14% в простих і до 3-7% – у дорогих моделях.

У фокусуючих колекторах використовують оптичні системи – дзеркала або лінзи – для збільшення густини сонячної радіації на поверхні, яка поглинає енергію (це дає змогу зменшити її площу і, отже, знизити теплові втрати).

Зараз у світі діють сонячні електростанції, в яких використовують різні принципи перетворення енергії, а також високотемпературні сонячні печі, призначені для одержання чистих матеріалів, відпрацювання вузлів СЕС та інших цілей. Сонячні установки знаходять застосування в системах живлення та охолодження приміщень, у технологічних процесах, які протікають при низьких, середніх і високих температурах.

На сьогодні найбільш актуальним в Україні є отримання теплової енергії для обігріву помешкань та гарячого водопостачання. Особливо це стосується приватних осель – як котеджів, так і багатоквартирних будинків.

Сучасні сонячні системи гарячого водопостачання здатні на 60-80% забезпечити потребу в гарячій воді на широті Києва, а в Криму – на всі 100%. Використання таких геліосистем роблять нас енергетично незалежними від підвищення цін на природний газ і електроенергію.

У нашій країні (Крим) працює сонячна електростанція потужністю 5 МВт, де основний елемент – башта висотою 50 м з водяним котлом на висоті 70 м.

2.2. Фотоелектричне перетворення сонячної енергії

Серед усіх способів одержання електрики з енергії Сонця найбільш ефективний і перевірений в умовах тривалої експлуатації на Землі та в космосі – фотоелектричний метод прямого перетворення променистої енергії за допомогою напівпровідникових сонячних батарей. Явище фотоефекту в напівпровідниках відкрите в 1876 році в Селені. Вже більше ста років його інтенсивно досліджують і використовують на практиці. Проте практичне застосування для енергетики кремнієвих сонячних батарей почалося лише в 1958 році після запуску супутників Землі. З того часу напівпровідникові сонячні батареї є основними і майже єдиними джерелами енергопостачання космічних апаратів. Ще зовсім недавно вважали, що фотоелектричний метод перетворення сонячної енергії перспективний лише для вирішення часткових задач, зокрема для автономних систем електроживлення у важкодоступних або віддалених районах. Наприклад, у 1975 році сумарна потужність всіх сонячних батарей на напівпровідникових фотоелементах у США становила 100 кВт, вартістю більше 20000 доларів за піковий кіловат встановленої потужності. Розвиток нових методів виробництва напівпровідникового кремнію, розробка нових матеріалів і створення принципово нових типів фотоелектричних перетворювачів кардинально змінили положення в цій області. Коефіцієнт корисної дії (ККД) кращих зразків сонячних батарей, встановлених на поверхні Землі, досягає 26, а в промислових зразках – 14%. Теоретично доведена можливість створення сонячних батарей на однорідних напівпровідниках, ККД яких становитиме понад 30%. До недавнього часу найбільш вивченим напівпровідниковим матеріалом, який відповідав вимогам створення на його основі фотоелементів, вважався кремній, тому фотоелементи робили саме з нього. Максимальний, теоретично можливий ККД таких фотоелементів складає 22%.

Як відомо, інтенсивність сонячного випромінювання значно змінюється в залежності від пори року й доби. Тому проблема використання енергії Сонця наштовхується на необхідність її акумулювання і збереження протягом певного часу. З усіх способів акумулювання сонячної енергії найперспективнішим вважається її перетворення на хімічну внаслідок фотохімічних реакцій. Очікується, що в майбутньому столітті сонячні електростанції (СЕС) будуть так само широко розповсюджені, як атомні чи термоядерні електростанції. Сонячні батареї знайшли широке застосування у космічній техніці.

2.3. Фотобіологічне перетворення сонячної енергії

Одним із методів прямого перетворення сонячної енергії є фотосинтез, тобто фотобіологічне перетворення сонячного світла, що дає життя всьому живому на Землі й забезпечує нас органічним паливом. При фотосинтезі в рослинах енергія сонячного світла перетворюється, в основному, у хімічну енергію вуглеводів, які одержують при відновленні вуглекислого газу. Основні моменти перетворення сонячної енергії в природному фотосинтезі зараз досить добре вивчені.

Сумарно реакція фотосинтезу виглядає наступним чином:

6СО2 + 6Н2О === С6Н12О6 + 6О2

Отже, енергія будь-якого виду органічного палива – це сонячна енергія, акумульована у формі хімічної, завдяки протіканню фотосинтезу. Сонячна енергія концентрується переважно у вуглеводах глюкозі, цукрі, крохмалі й целюлозі.

Можливий шлях збільшення біомаси пов’язаний з селекцією рослин, що ефективно перетворюють сонячну енергію, для того, щоб сумарна біомаса (листки, стебла, корені) могла використовуватися для енергетичних цілей. Пошуки оптимальних шляхів використання біомаси рослин тісно пов’язані з необхідністю вирішувати найважчі технологічні й економічні питання, з виявленням найбільш раціональних методів збору або переробки рослинної сировини і відходів органічної речовини. У деяких водоростей (наприклад, у хлорели) експериментально виміряний ККД перетворення сонячної енергії досягає в оптимальних умовах приблизно 6%. Тобто, використовуючи водорості, можна досить ефективно здійснювати перетворення сонячної енергії в хімічну.

Найважливішою запишається глобальна проблема підвищення використання сонячної енергії культурними рослинами і зниження енерговитрат, пов’язаних зі спалюванням продуктів фотосинтезу. Ця проблема вимагає великого комплексу досліджень у фізіології й агротехніці. З нею тісно пов’язане вивчення механізмів регуляції фотосинтетичної діяльності рослин та їхньої продуктивності.

Розвиток суспільства неминуче вимагатиме повнішого оволодіння сонячною енергією, і безперечно, що біологічний шлях її використання залишиться найважливішим на довгі роки, причому й у близькому майбутньому фотосинтез рослин буде єдиним джерелом їжі й атмосферного кисню.

3. Основні завдання та перспективність розвитку сонячної енергетики.

Україна має достатньо сприятливі кліматичні умови та індустріальну інфраструктуру, які задовольняють потреби інтенсивного розвитку геліоенергетики. Враховуючи світовий досвід, пріоритетними напрямами розвитку сонячної енергетики в Україні можна визначити такі:

– освоєння технологій пасивного сонячного опалення будівель;

– впровадження систем гарячого водопостачання та опалення з використанням сонячних колекторів;

– створення високоефективного обладнання для фотоелектричної енергетики;

– використання комбінованих сонячно-паливних електростанцій та котелень.

Елементи технологій пасивного сонячного опалення нині почали широко застосовуватись в житловому будівництві України. Доцільно передбачити розробку типових рішень застосування елементів цих технологій для поліпшення теплозабезпечення житлових, адміністративних та виробничих приміщень. Це саме стосується створення систем сонячно-колекторного теплопостачання. Нині в Україні вводиться щорічно не більше 10 000 м2 сонячно-колекторних систем літнього гарячого водопостачання, чого недостатньо ні за кількістю, ні за якістю. Для такої країни, як Україна потрібно щороку вводити не менше 2 млн. м2 систем сонячно-колекторного теплопостачання.

У південних регіонах України на базі діючих ТЕС (теплоелектростанцій) можна створювати комбіновані сонячно-паливні електростанції, зокрема з використанням систем підігріву води параболоциліндричними чи параболоїдними концентраторами сонячного випромінювання.

Основні завдання розвитку сонячної енергетики в Україні мають передбачати:

1. Розробки типових архітектурних і технічних рішень для будівництва і модернізації житлових, адміністративних і виробничих приміщень з метою впровадження енергоекономної технології сонячного опалення - "Сонячний дім";

2. Розробка конструкції і технології та налагодження серійного виробництва високоефективних сонячних колекторів для потреб населення і підприємств галузі;

3. Виконання НДіДКР (науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт) з метою створення високоефективних фотоелектричних модулів на базі арсеніду галію та з концентраторами сонячного випромінювання; розробка технологічних схем, проектів та спорудження експериментальних ФЕС (фотоелектричних станцій) та комбінованих сонячно-паливних електростанцій;

4. Створення мережі сервісних підприємств для спорудження і сервісу споруджених геліоенергетичних об’єктів.

Лекція  Тема: Вітроенергетика

1. Загальна характеристика енергії вітру.

2. Історія розвитку вітроенергетики.

3. Класифікація вітрових енергетичних установок

СРС 1. Напрями використання та характеристика геотермальної енергії.

Людство живе на дні повітряного океану,

у світі вітрів.

1. Загальна характеристика енергії вітру

Енергія вітру вічно поновлювана і невичерпна, поки гріє Сонце. Від загальної кількості енергії сонця 1-2% перетворюється на енергію вітру, що вп’ятеро перевищує річну світову енергетичну потребу.

Вітер утворюється на землі в результаті нерівномірного нагрівання її поверхні Сонцем та перепадів тиску повітря. Повітря над водною поверхнею впродовж світлої частини доби залишається порівняно холодним, оскільки енергія сонячного випромінювання витрачається на випаровування води та поглинається нею. Над сушею повітря нагрівається завдяки тому, що вона поглинає сонячну енергію менше, ніж поверхня води. Нагріте повітря розширюється і піднімається вгору, а його заміняє холодне повітря від поверхні води. Вночі суша охолоджується швидше, ніж вода, і температура над водою буде вище, ніж над сушею. Тому вітри міняють свій напрямок, і холодне повітря суші витісняє нагріте повітря водної поверхні.

Різниця атмосферного тиску змушує повітря пересуватися від зони високого тиску до зони низького із пропорційною швидкістю. Аналогічно відбуваються зміни напрямку вітрів у гірській місцевості, де протягом дня тепле повітря піднімається вздовж схилів, а вночі холодне повітря спускається в долини.

Повітря циркулює і внаслідок обертання Землі: рух відбувається в напрямку, протилежному напрямку руху годинникової стрілки в північній півкулі, та за напрямком руху годинникової стрілки – в південній.

Вітер є незвичайним енергоносієм, невичерпним, але який має безліч складних і слабо передбачених фізичних параметрів для кожного окремо взятого географічного місця. Під час опису вітру, окрім середньорічної і максимальної швидкостей, слід взяти до уваги характеристики, що враховують внутрішню структуру повітряного потоку такі як: «троянда вітрів», поривчасту щільність повітря, турбулентність, температуру і різновекторні течії по висоті.

За підрахунками вчених загальний вітроенергетичний потенціал Землі в 30 разів перевищує споживання електроенергії в усьому світі, проте використовується лише мізерна частка даної енергії (біля 5%). Запаси енергії вітру більш, ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети.

Можливості використання цього виду енергії в різних місцях Землі неоднакові. Сучасна технологія дозволяє використовувати тільки горизонтальні вітри, що знаходяться близько до поверхні землі та мають швидкість від 12 до 65 км/год. Для нормальної роботи вітрових двигунів швидкість вітру не повинна в середньому за рік падати нижче 4-5 м/с, а краще коли вона становить 6-8 м/с.

Новітні дослідження направлені переважно на отримання електричної енергії з енергії вітру. Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Проте не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання енергії вітру може становити 59,3%.

Проте на практиці, згідно з опублікованими даними, максимально він дорівнює приблизно 50%, але і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється зазвичай з ККД 75-95%. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність складає 30-40% потужності повітряного потоку. Проте інколи вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей.

Прагнення використання вітру як енергії, призвело до появи на світ безлічі агрегатів. Для цього спороджуються спеціальні станції переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить в рух динамо-машину – генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно сполучені акумулятори. Акумуляторна батарея автоматично підключається до генератора в той момент, коли напруга на його вихідних клемах стає більше, ніж на клемах батареї, і також автоматично відключається при протилежному співвідношенні.

При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітрову погоду та її нестачу в період безвітря. Нині найпростішим способом використання енергії вітру можна вважати приєднання вітрових установок до енергосистем із сучасними гідроелектростанціями (ГЕС), де енергію можна запасати.

Також виробництво водню шляхом електролізу води.

2. Історія розвитку вітроенергетики.

Вітроенергетика – це галузь відновлюваної енергетики, що спеціалізується на використанні кінетичної енергії вітру, яка є непрямою формою сонячної енергії.

Сила вітру – це одне з найстародавніших джерел енергії, використовуваних людством. Мореплавці використовували вітрову енергію для морських подорожей та перевезень під вітрилами ще за 3500 років до нашої ери. Прості вітряки були широко поширені в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, в Персії близько 200 р. до н.е. почали використовувати вітряки з вертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші персидські вітряки виготовлялися з в’язанок очерету, які прикріплялися до дерев’яної рами, що оберталася, коли дув вітер (стіна навколо вітряка спрямовувала потік вітру проти лопатей).

В ХІ столітті в Європі почали поширюватися вітряки, що завозилися мандрівними купцями та лицарями з хрестових походів. Ці перші млини постійно вдосконалювалися, спочатку голландцями, потім англійцями, і врешті набули конструкції з горизонтальною віссю.

В старих вітряків лопаті були дерев’яними і могли використовувати близько 7% енергії вітру. Завдяки новаторській праці Томаса Перги, який наприкінці ХІХ століття провів близько 5000 експериментів з різними видами “колеса” (тобто ротора), дерев’яні лопаті поступилися місцем лопатям із вигнутого металу, що збільшило ефективність установок вдвічі – до 15%.

За кордоном використанню вітрової енергії присвячені урядові програми. Нині на Заході, особливо в Данії та США, серійно випускаються ВЕС потужністю від 1,5 до 100 кВт, діє також кілька експериментальних ВЕС потужністю до 30 тис. кВт. В світовому розрізі сьогодні лідерами у вітроенергетиці за обсягами встановленої потужності ВЕС є: Німеччина – 18428 МВт (31%), Іспанія – 10027 МВт (17%), США – 9149 МВт (15,4%), Індія – 4430 МВт (7,5%), Данія – 3122 МВт (5,3%) та ін.

За даними статистики, до революції 1917 р. у кожному другому українському селі працював вітряк. В загальному налічувалося 20-30 тисяч вітряків, які виробляли 120-200 тис. кВт∙год. енергії. Проте парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих “скромних трудівників” через низький ККД та малу потужність.

Піонером будівництва ВЕС в нашій країні був видатний український вчений та інженер, один з основоположників космонавтики – Ю. Кондратюк. Побудована ним поблизу Севастополя (Крим) в 1931 р перша вітрова електростанція потужністю 100 кВт забезпечувала струмом міську мережу понад 10 років (в 1942 році була зруйнована під час війни) і на той період була найбільшою вітроелектростанцією у світі.

Поступово, до 1955 року, їх кількість зменшилася до 8500, а в середині 60-х років у сільському господарстві експлуатувалося всього кілька сотень вітрових енергетичних установок із встановленою середньою потужністю близько 4 кВт, здебільшого, для водопостачання, вироблення постійного струму, перемелювання зерна. До 1982 р. їх кількість скоротилася до 15 із виробітком електроенергії близько 10 тис. кВт∙год., тобто в Україні у ці роки вітрова енергія майже не використовувалася.

У світі Україна займає 14 місце за встановленою потужністю вітроагрегатів, тоді як Росія – лише 34-те. Сьогодні в Україні введено в дію більше шести вітрових електростанцій таких, як: Миронівська, Воробіївська, Трускавецька, Ново-Азовська, Чорноморська, Євпаторійська ВЕС та інші. Українські енергетики нині освоюють випуск вітчизняних вітрових установок. Однак проблем у цій галузі дуже багато, зокрема є необхідність у підвищенні ефективності експлуатації ВЕС та розробці новітніх вітроустановок.

Вітрова енергія як відновлювальний ресурс в Україні недостатньо використовується. В результаті обробки статистичних метеорологічних даних за швидкістю та повторюваністю швидкості вітру проведено районування території України за швидкостями вітру і визначено питомий енергетичний потенціал вітру на різній висоті відповідно до зон районування. В умовах України за допомогою вітроустановок можливим є використання 15-19% річного об’єму енергії вітру, що проходить крізь перетин поверхні вітроколеса.

Застосування вітроустановок для виробництва електроенергії у промислових масштабах найбільш ефективне в регіонах України, де середньорічна швидкість вітру становить понад 5 м/с: на Азово-Чорноморському узбережжі, в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській, Хмельницькій, Волинській областях, АР Крим та у районі Карпат. Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок з підвищеним обертальним моментом для виконання механічної роботи (перемелювання зерна, підняття та перекачки води і т.д.) є ефективною практично на всій території країни.

Вітроенергетика України набула достатнього досвіду виробництва, проектування, будівництва, експлуатації та обслуговування як вітроенергетичних установок, так і вітроенергетичних станцій; в державі є достатньо високий науково-технічний потенціал і розвинена виробнича база. Останнім часом на розвитку вітроенергетичного сектора позначається державна підтримка, що забезпечує реалізацію ініціатив щодо удосконалення законодавства, структури керування, створення вигідних умов для внутрішніх і зовнішніх інвесторів.

3. Класифікація вітрових енергетичних установок

Вітроенергетична установка (ВЕУ, або вітряк) – технічна конструкція, яка перетворює енергію рухомих повітряних мас в електричну. Під поняттям “вітрова електростанція” розуміють систему із таких установок.

Комплексним показником правильності обраної стратегії будівництва ВЕС є коефіцієнт використання встановленої потужності. Широкому застосуванню агрегатів для перетворення вітру в електричну енергію, поки що перешкоджає їх висока собівартість. Насправді не буває поганих вітроагрегатів, бувають неправильно вибрані ділянки вітрополя.

Усі існуючі різновиди вітрових агрегатів можна класифікувати так:

І. За призначенням:           для виробництва електроенергії;

для підняття води;

для отримання тепла.

ІІ. За потужністю:                  малої потужності (до 100 кВт);

середньої потужності (від 100 до 500 кВт),

мегаватного класу (0,5-4 МВт і вище).

ІІІ. За напрямом вісі вітрового сприймального устаткування:

а) з горизонтальною віссю обертання: паралельного напряму вітрового потоку – вітряки; перпендикулярного вітровому потоку (водяне колесо);

б) з вертикальною віссю обертання, перпендикулярною напряму вітрового потоку: з двоярусними вертикальними лопатями на загальному валу; з двома лопатями у вертикальній площині, розташованими на візках і нахиленими у зовнішній бік осі, а також об’єднаних горизонтальним крилом в єдину конструкцію з центральною опорою; з багатьма лопатями, розміщеними на візках, пов’язаних між собою, які рухаються по колу з діаметром, набагато більшим за висоту лопатей (це своєрідний замкнутий у кільце поїзд, який рухається по кільцевій колії).

IV. За кількістю лопатей вітрового колеса:    дволопатеві,

трилопатеві,

багатолопатеві.

V. За типом вітрового колеса:       крильчасті,

роторні.

VI. За умовами праці:                  ізольовані,

в енергокомплексі з НС, ГЕС, ГАЕС, СЕС та дизельними установками.

VII. За роботою в енергосистемі:

підключені до енергосистеми,

підключені автономно до споживача.

Наведені класифікації добре відображають всю різноманітність ВЕУ як за специфікою роботи, так і за їх застосуванням. Найбільшого розповсюдження набули вітрові колеса з горизонтальною віссю обертання, паралельно напряму вітрового потоку, і з вертикальною віссю обертання (ортогональні).

Найбільшого значення має класифікація за потужністю, яка характеризується наступним більш детальним розподілом:

– ВЕУ з потужністю до 1 кВт;

– ВЕУ з потужністю до 10 кВт;

– ВЕУ з потужністю до 30 кВт;

– ВЕУ з потужністю до 100 кВт і вище.

ВЕУ першої групи володіють невеликими розмірами і вагою. Їх можна рекомендувати для використання в геологорозвідувальних партіях, для туристів у походах і подорожах, для живлення радіостанцій і заряджання акумуляторів автомобіля або яхти, а також для безпосереднього живлення електричних приладів. Крім того, ці ВЕУ відрізняє відносно невисока ціна.

Другу групу ВЕУ з потужністю до 10 кВт можна використовувати як систему автономного енергопостачання для невеликих господарств, приватних будинків, котеджів. Ці ВЕУ володіють великою вагою і великими розмірами. Для їх установки потрібно спеціально підготовлена площадка (заливка фундаменту). В комплект входить генератор і ротор. Генератор виробляє постійну напругу 12 В, 24 або 48 В.

В цій групі на ринку представлені вітчизняні, українські ВЕУ, вартість яких нижча, ніж імпортних аналогів.

Третя група ВЕУ з потужністю до 30 кВт має схоже призначення з ВЕУ другої групи. Відмінність становлять більша вага (до 500 кг), великі розміри та дещо більша ціна.

Четверту групу ВЕУ можна віднести до професійного обладнання. Цей тип можна рекомендувати для установки на промислових підприємствах і для створення вітроенергетичних електростанцій. Для їх монтажу також потрібно здійснювати заливку фундаменту. Вартість таких ВЕУ починається від 150000 євро.

Принцип дії усіх різновидів вітрових агрегатів однаковий. Під дією вітру обертається вітрове колесо з лопатями і передає обертовий момент на вал генератора, який виробляє електроенергію.

Система безперебійного електрозабезпечення має наступні компоненти:

1. Генератор – виробляє електричний струм. Потужність вітрогенератора визначається розрахунковою швидкістю вітру, геометричними розмірами ротора та ефективністю використання енергії вітру.

2. Контролер – керує багатьма процесами вітроустановки (поворот лопатей, заряд акумуляторів та ін.)

3. Акумулятор – накопичує електроенергію для використання в безвітряний період, також він вирівнює та стабілізує вихідну напругу.

4. Анемоскоп – прилад, що відповідає за збір даних про швидкість та напрямок вітру.

5. Автоматичний перемикач джерела живлення (АПДЖ) – виконує автоматичне перемикання між джерелами електроживлення при зникненні пріоритетного. Дозволяє об’єднувати вітроустановку, загальну електромережу, дизель-генератор, сонячні батареї в єдину автоматизовану електросистему.

6. Інвертор – перетворює накопичену в акумуляторних батареях електроенергію та постійний струм генератора в змінну напругу 220В/380В).

Отже, вітрогенератори використовуються як засоби альтернативної енергетики, їх застосування рекомендовано в районах, що не мають традиційного енергопостачання, а також у місцях, де спостерігаються часті перебої з подачею електроенергії.

Під час роботи ВЕС навколишнє середовище не зазнає забруднень. Єдині негативні впливи – це низькочастотний шум (гудіння) працюючих ВЕС та ще спорадична загибель птахів, що потрапляють у лопаті вітродвигунів.

Нові інженерні рішення в конструкціях вітрових турбін допомогли подолати проблему шумності. Зокрема, аеродинамічний шум зменшили завдяки варіюванню товщини лопатей турбін і їх орієнтації щодо напрямку вітру. Шум, який видають турбіни, на відстані 250 м не перевищує шуму від роботи звичайного холодильника.

4. Перспективи малої вітроенергетики (побутові вітряки)

Споживання енергії, а разом з ним і її вартість збільшуються у всьому світі, і наша країна тут не виняток. Гостру нестачу енергії відчувають фермери, садівники, вахтовики, геологи, тваринники. Близько 30% фермерських господарств і 20% садово-городніх ділянок взагалі не підключені до електричних мереж. Будівництво нових ліній електропередач для постачання віддалених ізольованих споживачів провадиться надто повільно через хронічний брак коштів, а дизельні генератори часто функціонують неефективно, та до того ж вони вимагають регулярного і кваліфікованого обслуговування, вартість моторного пального дедалі підвищується, його доставка недостатньо надійна і економічна.

Тим часом підраховано середнє використання електроенергії сільськими жителями, до яких, принаймні в літній період, цілком можна зарахувати і власників дачних котеджів. Воно становить 115 кіловат на місяць. Ця цифра складається з вимог забезпечення так званого “інтелектуального побуту”. Це освітлення, радіо, телебачення, побутовий холодильник, електробритва, кип’ятильник, дрібні електроінструменти, комп’ютер, городній насос, праска. Не забудемо і того, що за останній час з’явилося багато побутової техніки, що працює від вбудованих акумуляторів, які необхідно періодично заряджати: ліхтарики, мобільні телефони, ті самі електробритви, електроінструмент та ін.

Звичайно, взимку енергії буде потрібно більше – будинок потрібно опалювати. Але оскільки традиція пічного опалювання не тільки не старіє, але і переживає своєрідне відродження у вигляді появи нових конструкцій надекономічних печей, а нестачі в дровах немає, додаткової витрати електрики тут не передбачається.

Сучасні вітроенергетичні установки (вітряки) діляться на два класи: потужні, в сотні тисяч кіловат, називаються мережевими тому, що за безвітряної погоди забезпечення споживача енергією надходить з мережі; і автономні, які працюють в парі з акумулятором. Як правило, потужність автономних вітряків не перевищує 5-10 кВт. Вони називаються: вітроелектричні установки малої потужності (ВЕУМП). На цей унікальний клас вітряків звернув увагу німецький учений і практик Хайнц Шульц. Він і запровадив термін “Kleine Windkraftanlage”, тобто “малі вітроенергетичні установки”.

Існує думка, – писав X. Шульц, – що в областях із середньорічними швидкостями вітру менше 4 м/с використання енергії вітру невигідне. Проте це твердження не поширюється на малі вітросилові установки для зарядки акумуляторів і багатопелюсткові установки, що легко розганяються, для водопідйому. Заселення американських і австралійських внутрішніх територій, де більшість областей мають середньорічні швидкості вітру менше 2 м/с, було б без них неможливим.

Малі вітроенергетичні установки (ВЕУМП) прості і дешеві в монтажі, експлуатації і ремонті, екологічно чисті (порівняно з іншими джерелами електроенергії), не потребує під час роботи практично жодного обслуговування, періодичного підлаштування та ін. Пара вітродвигун-генератор може обходитись без редуктора, який ще більше спрощує і здешевлює конструкцію вітряків, підвищує їх надійність.

Таким комплексним набором найважливіших властивостей не володіє жоден клас нетрадиційних енергетичних установок. Причому енергопостачання вони можуть забезпечити в регіонах із середньою швидкістю вітру всього 3-5 м/с. Фактично власник побутового вітряка (ВЕУМП) набуває майже цілковитої незалежності як від традиційних виробників енергії, так і від природних явищ.

Немає жодної необхідності створювати нові потужні вітряки величезних розмірів. Перехід в енергетичну область середньої потужності досить просто здійснити шляхом створення енергетичних комплексів (ЕК), що складаються з декількох вітроустановок (до 5-10 одиниць). Підсумовування потужностей здійснюється на єдиному акумуляторі. Хоча такий комплекс не вдасться розмістити на шести дачних сотках, площу все ж таки він займе невелику. Номінальна потужність ЕК може бути доведена до 10-15 кВт, пікова потужність – до 20-25 кВт, вироблення – до 1800 кВт∙год./міс, натомість вартість виготовлення знижується в 3-4 рази.

Подібний комплекс здатен цілком забезпечити енергією не те, що велике фермерське господарство або заміський палац, але й невелике селище, куди ЛЕП не доходять. Таких селищ в країні до цих пір немало. Щоправда, для певності в нього рекомендується включити резервні джерела – сонячні батареї, а також дизельну або бензинову міні-електростанцію: від примх погоди слід себе надійно захистити.

Завдяки своїм справді унікальним експлуатаційним властивостям і технічним характеристикам малі вітряки (ВЕУМП) здатні не лише забезпечити “інтелектуальний побут” сільського і дачного будинку. Вони практично не мають альтернативи у розв’язанні завдання забезпечення енергією найрізноманітніших автономних станцій: навігаційних, радіорелейних, метеорологічних, тих, що обслуговують нафтогазопроводи та ін.

Мабуть, найдоказовішим аргументом на користь вітряків став досвід Китаю, який проголосив шестирічну програму електрифікації регіонів Маньчжурії, що не мають стаціонарних джерел електроенергії і енергоносіїв, за допомогою малих вітроелектроустановок (приблизно до 2 кВт), підключивши до їх виконання 60 НДІ і 100 заводів. Це завдання було виконане − випущено 10 мільйонів таких ВЕУ.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37930. Определение электродвижущей силы 377 KB
  Эти частицы называют носителями тока. За положительное направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц. Если бы в электрической цепи действовали только электростатические силы то положительные носители тока под действием этих сил перемещались бы от большего потенциала к меньшему и таким образом снижали больший и повышали меньший потенциал. Это привело бы к выравниванию потенциала во всех точках проводника и прекращению тока.
37931. ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА 946 KB
  Цель работы Изучение газового разряда измерение вольтамперной характеристики газонаполненной лампы изучение релаксационных колебаний.2 Газонаполненные лампы часто используют для получения релаксационных колебаний. Принципиальная схема генератора релаксационных колебаний полказана на рисунке 2. При нажатой кнопке режим получается схема генератора релаксационных колебаний смотри рисунок 2.
37932. ИЗУЧЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ 1.1 MB
  Цель работы Изучение поляризации сегнетоэлектриков в зависимости от напряженности электрического поля E получение кривой E = fE изучение диэлектрического гистерезиса определение диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках. Это связано с тем что они не содержат зарядов способных направленно перемещаться под действием электрического поля. Внешнее электрическое поле либо упорядочивает ориентацию жестких диполей ориентационная поляризация в диэлектриках с полярными молекулами либо приводит к появлению полностью упорядоченных...
37933. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА 199 KB
  Контрольные вопросы 11 Список литературы 11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 45 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА Цель работы.1 Закон Ома Количественной мерой электрического тока служит сила тока скалярная величина определяемая электрическим зарядом проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени: . Для постоянного тока . Единица силы тока ампер 1 А = Кл с.
37934. Движения заряженных частиц в магнитном поле. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона 365 KB
  Действие магнитного поля на движущийся заряд. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Процесс взаимодействия магнитных полей исследовался Лоренцем который вывел формулу для расчета силы действующей со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу.2 Тогда на n движущихся зарядов со стороны магнитного поля действует сила равная .
37935. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли. Методические указания 160.64 KB
  Методические указания предназначены для студентов, изучающих раздел курса общей физики «Электричество и магнетизм». Приведены основные положения геомагнетизма и методика экспериментального определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс гальванометра.
37936. Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре 223.5 KB
  14 Лабораторная работа № 48 Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре 1. Получим уравнение колебаний в контуре без активного сопротивления рисунок 2.3 получаем дифференциальное уравнение свободных колебаний в контуре без активного сопротивления 2.5 где φ – начальная фаза колебаний.
37937. Изучение вынужденных колебаний в электрическом контуре 438.5 KB
  В теоретической части методических указаний изложены условия возникновения вынужденных колебаний в электрическом контуре выведено дифференциальное уравнение этого вида колебаний рассмотрены явления резонансных тока и напряжения. Для осуществления вынужденных колебаний в контур включают источник тока обладающий периодически изменяющейся ЭДС рис. в каждый момент времени сила тока во всех сечениях цепи одинакова. Перейдя от тока I к заряду q и введя обозначения: ω02=1 LС ...
37938. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНННО – ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА 206.5 KB
  4 Устройство и принцип работы осциллографа.11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 50 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНННО – ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА Цель работы Изучение устройства электронно – лучевого осциллографа и знакомство с некоторыми видами наблюдений и измерений которые можно проводить с его помощью. Устройство и принцип работы осциллографа Осциллографы бывают различного типа и назначения. Например с помощью осциллографа можно найти силу тока и напряжение изучать зависимость силы тока и напряжения от времени измерять сдвиг фаз между ними сравнивать...