Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие - файл n1.doc

Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие
скачать (6649.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc6650kb.02.11.2012 09:44скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.М. ЖИТАРЕНКО

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


по курсу

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
для студентов специальности 8.090510 «Теплоэнергетика»

очной и заочной форм обучения
Часть I

МАРИУПОЛЬ 2006
УДК 662.61+621

Учебное пособие по курсу «Возобновляемые и вторичные источники энергии» предназначено для студентов специальности 8.090510 «Теплоэнергетика» очной и заочной форм обучения. /Сост.: Житаренко В.М. - Мариуполь: ПГТУ, 2006. - 200 с.

В учебном пособии рссматриваются вопросы связанные с использоваием нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Приведен анализ запасов этих источников энергии для Украины и перспективы их использования. Представлены описания существующих и проектируемых схем использования ВИЭ, конструкции преобразователей энергии и основного оборудования. Рассмотрены вопросы экологического влияния нетрадиционной энергетики на окружающую среду.

Составитель В.М. Житаренко

Ответственный за выпуск

к.т.н., доц. В.Н. Евченко

Утверждено

на заседании

кафедры ПТЭУ протокол № ___ от ___ 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………5

1 Нетрадиционные источники энергии и их потенциал……. 7

1.1 Опыт возобновляемой энергетики СССР,

России и СНГ.……………………..………………………………10

1.2 Нетрадиционная энергетика Украины…………………14

2 Нетрадиционные преобразователи энергии……………… 18

2.1 Фотоэлектрические преобразователи………………….18

2.2 Термоэлектрические генераторы………………………23

2.3 Радиоизотопные термоэлектрические гене­раторы. ……27

2.4 Термоэмиссионные преобразователи…………………28

3 Солнечная энергетика………………………………………..32

3.1 Гелиоэнергетический потенциал Украины……………34

3.2 Солнечное теплоснабжение…………………………….35

3.3 Концентрирующие гелиоприемники. …………………38

3.4 Солнечные электростанции…………………………….45

4 Геотермальная энергетика……………………………………52

4.1 Термальные воды………………….…………………….53

4.2 Запасы и распространение термальных вод…………...56

4.3 Потенциал геотермальной энергии в Украине………..59


4.4 Использование геотермальной энергии для

выработки электрической энергии……………………………..62

4.5 Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоТЭС…………66

4.6 Одноконтурные геотермальные энергоустановки…...69

4.7 Двухконтурные геотермальные энергоустановки. …73

4.8 Парогенераторы геотермальных установок…………...74

4.9 Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки..76

4.10 Гидропаротурбинные геотермальные энерго-

установки………………………………………………………… 81

4.11 Использование геотермальной энергии для

теплоснабжения………………………………………………..….86

5 Энергия ветра и ее использование……………………………94

5.1 Потенциал ветровой энергии в Украине……………….97


5.2 Классификация ветродвигателей ……………………..101

5.3 Работа поверхности при действии на нее силы ветра.103

5.4 Работа ветрового колеса крыльчатого ветродви-

гателя ……………………………………………………………106

6 Большая и малая гидроэнергетика………………………..111

6.1 Большая гидроэнергетика……………………………..111

6.2 Энергетический потенциал малых рек Украины……113

7 Тепловая энергия окружающей среды …………………….117

7.1 Теплонасосные установки и область их применения..120

7.2 Эффективность систем теплоснабжения с теплонасос-ными установками………………………………………………123

8 Энергия океана………………………………………………128

8.1 Энергетические ресурсы океана………………………128

8.2 Основы преобразования энергии волн………………..131

8.3 Преобразователи энергии волн………………………..134

8.4 Колеблющийся водяной столб.………….……………138

8.5 Подводные устройства ...……………………………..140

8.6 Энергия приливов и морских течений………….……140

8.7 Тепловая энергия океана............................……….…..151

9 Биоэнергетика……………………………………………….162

9.1 Энергетический потенциал биомассы в Украине…...164

9.2 Пиролиз (сухая перегонка)……………………….…..168

9.3 Термохимические процессы…………………….……170

9.4 Спиртовая ферментация (брожение)…………….…..172

9.5 Использование этанола в качестве топлива…………175

9.6 Твердые бытовые и сельскохозяйственные отходы ..176

10 Экология нетрадиционной энергетики…………………...177

10.1 Взаимодействие энергетики и экологии…………..…177

10.2 Экологические последствия развития солнечной

энергетики………………………………………………………..179

10.3 Влияние ветроэнергетики на природную среду……...180

10.4 Экология геотермальной энергетики………………...184

10.5 Экология энергии океана……………………………..186

10.6 Экология биоэнергетики……………………………...189

11 Мир ищет источник энергии (вместо заключения)……….190

Рекомендуемая литература……………………………………….197

Дополнительная литература………………………………..198

Справочная литература……………………………………..199

Некоторые полезные ссылки…………………………….…200

ВВЕДЕНИЕ
Приближающаяся угроза мирового топливного “голода”, а также глобальное загрязнение окружающей среды и тот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, то есть на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы.

В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Движущей силой этого процесса является структурная перестройка мирового топливно-энергетического комплекса, связанной с экологической ситуацией, складывающейся в настоящее время как переходом на энергосберегающие и ресурсосберегающие технологии в энергетике, так и в промышленности и в жилищно-гражданском комплексе.

Значительное внимание этой проблеме уделяется организациями, входящими в ООН, такими как ЮНЕСКО, ЕЭК, ЮНЕП, ЮНИДС, а также другими межправительственными и неправительственными международными организациями. Выделяются значительные средства на работы в области НВИЭ из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда национального развития, Евроатома и других организаций.

В настоящее время на производство тепла и электричества расходуется ежегодно количество тепла, эквивалентное примерно 1000 трлн. баррелей нефти, сжигание которых сильно загрязняет атмосферу Земли.

К 2005 г. первое место по объему бюджетных ассигнований на НИОКР в области НВИЭ сохранялось за США, второе – у Японии, у германии – третье, далее следуют Италия, Испания, Великобритания и Нидерланды. Отмечается также некоторая смена приоритетов в отношении к различным видам НВИЭ. Первое место принадлежит солнечной энергетике, второе – биоэнергетике, которая несколько оттеснила ветроэнергетику. Последнее объясняется тем, что многие ветроэнергетические проекты не доведены до промышленной и коммерческой стадии. Третье место осталось за геотермальной энергетикой.

К 2030 г. НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70% современного уровня потребления энергии. НВИЭ, преимущественно биомасса и гидроресурсы, удовлетворяют сейчас примерно 20% мировой потребности в энергии, а энергия биомассы – 35% энергетических потребностей развивающихся стран.

Согласно прогнозу МИРЭС, на долю НВИЭ в 2020 г. будет приходиться 1150 – 1450 млн. т условного топлива (5,6 – 5,8% общего энергопотребления). При этом прогнозируемая доля отдельных видов НВИЭ составит: биомасса – 35%, солнечная энергия – 13%, гидроэнергия – 16%, ветроэнергия – 18%, геотермальная энергия – 12%, энергия океана – 6%.

1 НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

И ИХ ПОТЕНЦИАЛ
При современном темпе развития экономики и научно-технического прогресса энергопотребление может быть обеспечено лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии. По результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020ч2040 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Уже к 2050 г. человечество будет испытывать острый дефицит энергии. Этот дефицит энергии может быть удовлетворен за счет новых источников энергии – возобновляемых.

В последнее время нетрадиционная энергетика в Украине получила признание со стороны государственных органов власти, в результате чего подготовлено и принято ряд государственных программ и поправок к законам об энергетике, что создает благоприятные условия как для внедрения и эксплуатации уже разработанного оборудования нетрадиционной энергетики, так и развития новой энерготехнологии и оборудования. Характерной приметой энергетики Украины является движение в направления развития экологически чистой энергетики на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. К ним относятся ядерное топливо, угли, нефть и газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков. Классификация ВИЭ представлена в табл. 1.1.
Таблица 1.1 – Нетрадиционные и возобновляемые

источники энергии

Источники

первичной

энергии

Естественное преобразование энергии

Техническое преобразование энергии

Вторичная потребляемая

энергия

Земля

Геотермальное тепло

Земли

Геотермальная

электростанция

Электричество


Солнце


Испарение атмосферных осадков

Гидроэлектростанции (напорные и

свободнопоточные)

Движение атмосферного воздуха

Ветроэнергетические установки


Морские течения

Морские электростанции

Движение волн

Волновые электростанции

Таяние льдов

Ледниковые электростанции

Фотосинтез

Электростанции на

биомассе

Фотоэлектричество

Планеты

Приливы и отливы

Приливные электростанции


Мировые потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т у.т в год:

Производство энергии из возобновляемых источников динамично развивается в большинстве Европейских стран. В 1995 г. в странах ЕС на долю возобновляемых источников энергии приходилось 74.3 млн. т нефтяного эквивалента (т.н.э.), что составляло около 6% общего потребления первичных энергоносителей (табл. 1.2).
Таблица 1.2 - Выработка тепловой и электрической энергии из возобновляемых источников энергии в странах ЕС


Тип возобновляемых источников энергии

Производство энергии

Общие капитальные затраты в 1997-2010 гг, млрд. $

Снижение выбросов СО2 до 2010 г., млн т/год

1995 г.

2010 г.

млн.
т.н.э.

%

млн.
т.н.э.

%

Ветроэнергетика

0.35

0.5

6.9

3.8

34.56

72

Гидроэнергетика

26.4

35.5

30.55

16.8

17.16

48

Фотоэлектрическая энергетика

0.002

0.003

0.26

0.1

10.8

3

Биомасса

44.8

60.2

135

74.2

100.8

255

Геотермальная энергетика

2.5

3.4

5.2

2.9

6

5

Солнечные тепловые коллекторы

0.26

0.4

4

2.2

28.8

19

ВСЕГО

74.3

100

182

100

198.12

402



    1. Опыт возобновляемой энергетики СССР,

России и СНГ
На территории СНГ имеется ряд действующих и строящихся энергоустановках возобновляемой энергетики. На рис. 1.1 приведена карта России с указанием на ней мест расположения наиболее крупных объектов возобновляемой энергетики.

Россия и СНГ располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60-200°C в платформенных и предгорных районах. В 1967 г. на южной оконечности Камчатки была создана первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. Пробуренные в Паужетской геотермальной системе несколько десятков скважин в суммарном объёме производят пароводяную смесь в количестве, достаточном для расширения Паужетской ГеоТЭС до 25 МВт.

Рисунок 1.1 – Расположение объектов нетрадиционной и возобновляемой энергетики на территории России
Экономический кризис 90-х годов сказался и на сфере использования ВИЭ. На ОАО «Калужский турбинный завод» производятся конденсационные блок-модульные ГеоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока «Туман-4К» по 4 МВт смонтированы на Верхне-Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. В качестве теплоносителя используется пар Мутновского месторождения давлением 0,8 МПа. Строительство Верхне-Мутновской ГеоТЭС было начато в 1995 г. и завершено в 1999 г. В настоящее время мощность введенной в эксплуатацию ГеоТЭС составляет 12 МВт.

На Мутновской ГеоТЭС, проектная мощность которой составляет 80 МВт, будут установлены 4 энергомодуля «Камчатка-20» мощностью по 20 МВт. Строительство ГеоТЭС начато в 1992 г. на 2-х площадках, на каждой из которых располагается главный корпус с двумя энергоблоками.

В 1989 г. на Северном Кавказе была создана опытная Ставропольская ГеоТЭС с использованием двухконтурных энергоустановок. В качестве теплоносителя применяется термальная вода с температурой 165 °C, добываемой с глубины 4,2 км. Технологическая схема ГеоТЭС была разработана в ЭНИН им. Кржижановского.

Кроме указанных геотермальных теплоэлектростанций разработан проект и выполнено технико-экономическое обоснование Океанской ГеоТЭС на о. Итуруп в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30 МВт. Находится в эксплуатации Курильская ГеоТЭС мощностью 0,5 МВт.

Месторождения парогидротерм имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом. Но для указанных районов, энергоснабжение которых целиком зависит от привозного топлива, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.

В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт. В настоящее время действуют около 50 микроГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт, в том числе каскад ГЭС на р. Толмачева мощностью трех очередей около 45 МВт.

В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 100, 250, 500 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации. Налаживается сотрудничество с зарубежными организациями и фирмами, имеющими большой опыт в этой области.

Недалеко от г. Элиста планируется строительство крупной Калмыцкой ВЭС, проектная мощность которой составляет 23 МВт. Первая очередь была построена на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1,0 МВт и с июля 1995 г. подключена к энергосистеме Калмыкии. Установка работает в круглосуточном режиме.

В Ростовской области в составе «Ростовэнерго» работает ВЭС, известная как ВЭС-300. В ее составе 10 ВЭУ мощностью по 30 кВт каждая. ВЭУ предоставила немецкая компания HSW в рамках проекта ”Эльдорадо Винд”.

Заполярная ВЭС мощностью 1,5 МВт (г. Воркута) успешно эксплуатируются с 1993 года. Она построена на базе шести установок АВЭ-250 российско-украинского производства мощностью 200-250 кВт каждая.

В июле 2002 г. при поддержке датской компании «SЕАS Energi Service A.S.» состоялось открытие крупной ВЭС возле поселка Куликово Калининградской области. Куликовская ВЭС состоит из 21 ВЭУ датского производства мощностью 225 кВт каждая, суммарная мощность составляет 5,1 МВт. В дальнейшем планируется создание в Калининградской области первой коммерческой ветроэлектрической станции морского базирования мощностью 50 МВт. Ветропарк будет построен в 500 метрах от берега на шельфе Балтийского моря.

Подготовлено технико-экономическое обоснование Приморской ветровой электростанции общей мощностью 30 МВт. В качестве основного технологического оборудования приняты комплексные автоматизированные ВЭУ фирмы «Радуга» единичной мощностью 250 и 1000 кВт, поставляемые заводом укрупненными блоками максимальной заводской готовности. ВЭС будет размещается на мысе Лукина, где планируется установить 80 ВЭУ мощностью 250 кВт, и на мысе Поворотном – 10 ВЭУ мощностью 1,0 МВт.

Кроме перечисленных ВЭС в эксплуатации находятся до 1500 ветроустановок различной мощности (от 0,08 до 30 кВт).

В России в настоящее время работают несколько комплексов с биогазовыми установками, среди них: в Подмосковье – птицефабрика «Новомосковская», животноводческая ферма «Поярково» агрофирмы «Искра» Солнечногорского района Московской области, Сергачевская птицефабрика в Нижегородской области. В Российской отраслевой программе «Энергосбережение в АПК» на 2001-2006 годы, в разных областях, запланировано строительство 126 биогазовых установок. Кроме этого имеются технические разработки по использованию биогаза в качестве автомобильного топлива.

В 1968 г. в Кислой губе на побережье Баренцева моря появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован отечественный прогрессивный метод наплавного строительства плотины. На ПЭС был установлен один обратимый капсульный агрегат французской фирмы «Нейрпик». В качестве перспектив развития приливной энергетики в России следует отметить проекты Мезенской ПЭС на Белом море (19200 МВт), Тугурской ПЭС на Охотском море (7980МВт). Колоссальные мощности проектируемых ПЭС, обусловленные природными условиями, требуют большое число (по нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции, длительные сроки строительства, огромные капиталовложения как непосредственно в строительство ПЭС, так и в мероприятия по их адаптации в рамках энергосистемы). Все это делает создание этих ПЭС предметом отдаленного будущего.

    1. Нетрадиционная энергетика Украины


Характерной приметой современной энергетики Украины есть движение в направления развития экологически чистой энергетики на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Первоочередной задачей для успешной реализации задач основной программы развития НВДЕ (Программы государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидро- и теплоэнергетики Украины) по широкомасштабному использованию энергии НВДЕ есть установление энергетического потенциала каждого из видов НВДЕ по всей территории Украины, для чего создан «Атлас энергетического потенциала возобновляемых источников энергии Украины».

Атлас создан на основе базы данных энергетических показателей возобновляемых источников энергии и распределения их энергетического потенциала по территории Украины по следующим направлениям:

Информационно-аналитическая система оценки энергетического потенциала возобновляемых и нетрадиционных источников энергии для каждой из областей Украины представляет собой единую Информационную среду с взаимосвязанной картографической и цифровой информацией, методическим и программным обеспечением для определения потенциала возобновляемых и нетрадиционных источников энергии. Разработка обеспечивает оперативную обработку ежегодной и дополнительной информации без уничтожения текущей информации. Данные о потенциале возобновляемых источников энергии и отходов производства, которые могут быть переведены в энергоресурсы, приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 - Потенциал ВИЭ в Украине

Вид энергоисточников

Годовой потенциал

Энергия ветра

30...33 млрд. кВт-ч

Солнечная энергия

780 Вт/кв. м.
освещ.-2000 час/год

Геотермальная энергия

50 тыс. МВт

Растительная биомасса

40 млн. т/год
25...30 млрд куб.м/год

Отходы животноводчества и птицеводства

32 млн. т/год
10,3 млрд. куб.м./год



В утвержденной Верховной Радой Украины в 1996 г. Национальной энергетической программе Украины на период до 2010 г. предусмотрено покрытие 10% потребностей народного хозяйства в энергии за счет нетрадиционных возобновляемых и других источников энергии.

В настоящее время вклад возобновляемых нетрадиционных источников энергии в общую энергетику Украины очень мал и составляет до 1% от всех видов ТЭР. Однако, анализ реального положения в централизованной энергетике и топливно-энергетическом комплексе, а также экологического состояния окружающей среды свидетельствует о возможностях и целесообразности более широкого использования на местах нетрадиционных экологически чистых источников энергии с целью экономии тепла и топлива на существующих традиционных теплоисточниках.

Национальной энергетической программой Украины предусматривается, покрыть к 2010 г. за счет нетрадиционных и возобновляемых источников до 10% потребности в энергии. Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5.6 млн. т у.т. В таблица 1.4 представлен вклад каждого ВИЭ.


Таблица 1.4 - Вклад различных ВИЭ в энергетику Украины



Большая гидроэнергетика

78.8%

Ветроэнергетика

0.2%

Биоэнергетика

17.79%

Геотермальная энергетика

0.07%

Малая гидроэнергетика

3.1%

Солнечные тепловые коллекторы

0.04%

Всего 100%

В настоящее время в стадии рассмотрения находится "Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу", разработанная группой украинских ученых по Указу Президента Украины (табл. 1.5).
Таблица 1.5 - Использование ВИЭ в Украине согласно

"Энергетической стратегии Украины …"



Показатели

Технический потенциал ВИЭ

Выработка тепловой и электрической энергии из ВИЭ в 2001-2030 гг.

2001

2010

2020

2030

млн

т у.т.

%

млн. т у.т.

%

млн. т у.т.

%

млн. т у.т.

2001

млн. т у.т.

%

Ветроэнергетика

15.0

23.8

0.01

0.2

0.59

0.3

4.29

18.9

8.9

25.4

Фотоэлектрическая энергетика

2.0

3.2

-

-

0.01

0.09

0.23

1.0

0.72

2.1

Малая гидроэнергетика

3.0

4.8

0.17

3.1

0.15

1.6

0.48

2.1

0.65

1.9

Большая гидроэнергетика

7.0

11.1

4.36

78.69

4.8

51.2

5.6

24.6

6.53

18.7

Солнечные тепловые коллекторы

4.0

6.4

0.002

0.04

0.12

1.2

0.7

3.1

1.96

5.6

Биоэнергетика

20.0

31.7

0.99

17.8

2.7

28.5

6.3

27.9

9.2

26.3

Геотермальная энергетика

12.0

19.0

0.004

0.07

0.99

11.1

5.07

22.4

7.00

20.0

Всего

63.0

100

5.54

100

9.34

100

22.6

100

34.9

100

Доля от собственных традиционных энергоресурсов


78


7


12


28


48
  1   2   3   4   5   6   7


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации