Публикации »

Солнце, воздух и вода

Солнце, воздух и вода

 

С учетом постоянного увеличения стоимости природных углеводородных энергоресурсов по причине их истощения человечество все настойчивее внедряет технологии по использованию возобновляемых источников энергии.

 

Принцип использования солнечной энергии основан на преобразовании электромагнитного солнечного излучения в формы тепла и электроэнергии. Например, для отопления помещений и нагрева воды, и даже (как это ни парадоксально) охлаждения чего-либо применяются солнечные коллекторы. Основных типа солнечных коллекторов три. Солнечные воздушные коллекторы служат для нагрева воздуха с целью отопления помещений здания. Для нагрева воды обычно используют плоские солнечные коллекторы. Вакуумные солнечные коллекторы функционально родственны плоским, но отличаются более высокой эффективностью и, соответственно, ценой.

Солнечные воздушные коллекторы, как правило, изготавливаются из металла и имеют отверстия по всей поверхности. Наружный воздух, нагреваясь на солнце, поступает в коллекторы и, поднимаясь в верхнюю часть коллектора, попадает в здание, обеспечивая находящихся внутри людей свежим предварительно нагретым воздухом. Такой нагрев может обеспечить отопительную нагрузку или, по крайней мере, сократить количество тепловой энергии на отопление помещений. Естественно, для оптимального функционирования воздушные коллекторы следует располагать на южной стороне здания.

Сначала (более 20 лет назад) не застекленные коллекторы использовались в промышленности. Сейчас их применяют уже в коммерческих объектах. С помощью коллекторов свежий наружный воздух подогревается и идет внутрь здания, получая энергию в настенном положении от солнечных лучей, падающих под небольшим углом, (там, где стены не выходят на южную сторону, коллекторы также могут быть расположены на крыше).

Существует смешанный вариант, при котором не застекленные коллекторы соединяются с фотоэлектрической панелью. Не застекленные системы выступают в качестве опорной конструкции солнечной панели, снимая с нее тепло. Это увеличивает эффективность ФЭ системы и дает возможность использования солнечной энергии для отопления, которое в любом другом случае было бы просто потеряно.

Материальной основой фотоэлектрических технологий выступают солнечные элементы, которые вырабатывают электрическую энергию на основе фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов. Наиболее известным полупроводником на рынке сейчас является кремний. Он поставляется в двух (моно- и поли-) кристаллической и некристаллической («аморфной») формах. Различные полупроводники, такие, как доминирующие материалы на основе кремния, германий (Ge), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) и сульфид кадмия (CdS), имеют различную эффективность преобразования и отличаются по внешнему виду и цвету. Например, монокристаллические модули имеют темный и равномерно синий цвет, поликристаллические модули имеют различные сверкающие голубые тона и тонкопленочный аморфный кремний — от красновато-коричневого до черного. Могут быть получены модули с разными цветами (среди прочих, зеленый, серебряный, золотой), однако в основном они имеют более низкую эффективность преобразования.

Эффективность преобразования солнечного элемента зависит от светочувствительных свойств полупроводниковых материалов, используемых в ФЭ элементах.

Архитектурный проект, включающий принципы пассивного отопления и охлаждения, может сделать здание оптимально приспособленным к соответствующему (тропическому, умеренному, холодному) климату. Элементы проекта включают ориентацию здания для проникновения солнечного тепла, использование строительных теплоизоляционных материалов, изоляцию и остекление (для сохранения тепла) или возведение здания в тени, у воды, с использованием растительности для корректировки направления ветра, куполообразные крыши и открытые структуры (для охлаждения жилища).

В общественных зданиях нагрев воды с использованием солнечной тепловой энергии часто используется для уменьшения недостатка топлива, так как наличие горячей воды напрямую связано со счетами за электроэнергию. Существует целый ряд доступных технологий, начиная от простых баков-накопителей, которые нагреваются, если они подвергаются воздействию солнечных лучей, до сложных систем солнечных тепловых коллекторов, оснащенных насосами и нагревательными элементами.

Как и нагрев воды, отопление помещений с использованием солнечной энергии является возможным для различных зданий, начиная от домашних хозяйств и до коммерческих и промышленных зданий. Основные металлические коллекторы, которые имеют отверстия по всей площади их поверхности, крепятся к южной стороне здания. Наружный воздух поступает в коллектор и поднимается при нагревании на солнце в верхнюю часть коллектора и попадает в здание, обеспечивая его свежим предварительно нагретым воздухом. Это может удовлетворить отопительные нагрузки или, по крайней мере, уменьшить количество энергии на отопление помещений.

Солнечная энергия может быть использована и для так называемого микропроизводства. Речь идет о выработке тепла или электроэнергии небольшого масштаба, как правило, на месте потребления. Иногда это определяется как производство энергии в малом масштабе, приблизительно не более 50 kВт. Микропроизводство иногда используется в качестве юридического термина для обозначения установок, квалифицирующихся на государственную поддержку. Это часто относится к установкам с возобновляемыми источниками энергии, которые не принадлежат или не эксплуатируются традиционными производителями энергии (т. е. коммунальными предприятиями по энергоснабжению). Микропроизводство часто заинтересовано в создании способов применения, благоприятных для окружающей среды, например бытовая энергия, модернизация городов и новые разработки.

Если ФЭ системы или термоэлектрические системы КСЭ достаточно масштабны, солнечная энергия может использоваться для выработки электроэнергии для нескольких тысяч домов. Но подобные солнечные энергокомплексы занимают огромные площади. Кроме того, необходимы климатические предпосылки — высокий уровень излучения. Оптимальны, например, такие регионы, как Северная Африка и Северная Америка. Впрочем, есть опыт использования крупных солнечных энергокомплексов в Средиземноморье и Юго-Восточной Азии.

Солнечная энергия может использоваться для охлаждения жилых и нежилых зданий (таких как офисы, гостиницы и больницы). Это основывается на термохимическом процессе «сорбции»: адсорбция, при которой газообразные или жидкие вещества присоединяются к пористому твердому материалу, или абсорбция, при которой они поглощаются жидким или твердым материалом. Эффект охлаждения также может быть создан пассивным проектом, приведен в действие с помощью ФЭ технологий, или получен с помощью солнечной тепловой энергии преобразования.

 

Потенциал ветра

В нашей стране ветроэнергетика, между прочим, имеет достаточно серьезные традиции. Как минимум четверть века насчитывает отечественный опыт в этой для многих экзотической отрасли народного хозяйства. В качестве примеров можно упомянуть Элистинскую ВЭС в Калмыкии, Крымскую ВЭС и проект «Гюрза». Негусто, конечно, однако вполне объяснимо, учитывая изобилие основных видов топлива – использовать нефть и газ привычнее и проще, чем ломать голову над разработкой новых технологий. Поэтому к ветроэнергетике долго относились как к интересному, но отнюдь не приоритетному направлению. Да и сейчас сложно говорить о коренном пересмотре подобной позиции.

Однако, по мнению специалистов, в последнее время интерес к развитию ветроэнергетики в России все-таки заметно возрос и имеет все шансы воплотиться в реальные эффективные проекты. По крайней мере, одной из причин снисходительного отношения к ветроустановкам стало меньше. Действительно, первые опыты из-за несовершенства технических и конструкторских решений не могли рассматриваться в качестве серьезной альтернативы привычным для нас энергоресурсам. Даже первые западные образцы, заметно превосходившие отечественные разработки, не избежали скептических оценок современников. Даже в Германии, признанном лидере в этой области, в начале 70-х годов прошлого века было реализовано лишь несколько пробных проектов. Однако спустя десятилетие эта отрасль получила там правительственную поддержку, что не замедлило сказаться на результатах.

Так или иначе, современный ветрогенератор в 200 раз эффективнее установок 20-летней давности. Разительный прогресс достигнут и в области технических решений. Ветроустановки сейчас обладают модульной конструкцией, благодаря чему быстро и легко транспортируются и монтируются на месте эксплуатации. Также совершенствуются и турбины, лопасти, генераторы. Все в совокупности окончательно помогло избавить ветрогенераторы от имиджа симпатичной «игрушки» и заставило специалистов относиться к себе с должным уважением.

Отечественные проекты еще находятся в стадии проектирования и согласований. Практически все оборудование импортного производства. Но компании, действительно работающие на этом рынке, имеются. К тому же в России нет недостатка в привлекательных подходящих регионах для установки ветропарков. Среди наиболее удобных признается и Северо-запад России, в этом смысле особенно. Большими ветроресурсами обладают открытые территории побережья Финского залива, Онежского и Ладожского озер, Белого и Баренцева морей. Весьма хорошие перспективы, по мнению специалистов, у Кронштадта. Там может быть использована и береговая территория, и мелководье (наиболее распространенная «прописка» ветроустановок в мировой практике). Площади позволяют возвести ветропарк мощностью более 50 МВт. Благоприятная роза ветров открывает возможность использованию самых мощных на сегодняшний день ветрогенераторов в 5 МВт единичной мощности.

Другим нашим «достоянием» специалисты называют дамбу. Мощность ветропарка, который она способна принять, может также превысить 50 МВт.

Высота ветрогенератора в зависимости от ветровых характеристик места установки может достигать от 40 до100 метров. Энергия вращения лопастей ветрогенератора под воздействием потоков ветра передается по валу ротора на мультипликатор. А затем передается на асинхронный или синхронный электрический генератор. С целью увеличения производительности все чаще внедряются конструкции ветрогенераторов без мультипликатора. Изменение направления ветра улавливается сенсорами, по команде которых механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру. Ветрогенераторы могут работать по одиночке, но для повышения суммарной мощности их обычно объединяют в так называемые ветропарки.

Распространена схема, при которой  ветрогенераторы работают в паре с дизель-генераторами. При этом экономия дизельного топлива достигает 80%. Ветрогенераторы современных конструкций достаточно эффективны даже при сравнительно слабом ветре — от4 метровв секунду. На сегодняшний день уровень развития ветрогенераторов позволяет не только поставлять электроэнергию в «сеть», но и решать конкретные задачи по электроснабжению локальных потребителей любой мощности.

Малые ГЭС долго оставались в тени, но сейчас в качестве автономных источников энергоснабжения привлекают самое серьезное внимание специалистов.

Издержки гидро-гигантомании эпохи развитого социализма сейчас хорошо известны. Прежде всего, это экологические катаклизмы в результате затопления огромных территорий под искусственные водохранилища и истребление рыбных ресурсов. Малая гидроэнергетика лишена этих недостатков, а благодаря современным технологиям обладает еще и высокой эффективностью.

 

Энергия воды

В известном смысле, смена приоритетов от мощных ГЭС в пользу развития малых гидроэлектростанций имеет и объективную причину — потенциал крупных рек уже практическим исчерпан. Использование же энергии сравнительно небольших водотоков возможно лишь с помощью микро- и малых ГЭС. На сегодняшний день к микро-ГЭС принято относить объекты малой гидроэнергетики, работающие в диапазоне от 3 до 100 кВт, малые ГЭС способны обеспечивать единичную мощность до 5 000 кВт. Не стоит думать, что «малые энергетические формы» — открытие последних лет. Еще в 50–60-х годах прошлого века в стране работало несколько тысяч малых ГЭС. Моральный и физический износ оборудования, отсутствие финансирования привели к сокращению их количества до нескольких сотен штук.

Необходимость поиска альтернативных источников энергии в связи с постоянным ростом цен на органическое топливо, а также существенное повышение эксплуатационных показателей современных малых ГЭС заставило по новому взглянуть на «хорошо забытое старое». Специалисты выделяют несколько принципиальных достоинств современных малых объектов гидроэнергетики. При том что они считаются более экономичными, чем традиционные способы получения электроэнергии, небольшие электростанции органично вписываются в окружающую природную среду.

Ни в процессе строительства, ни во время эксплуатации не наносится никакого ущерба экологии. Сохраняются не только естественные природные свойства воды, но и рыбные ресурсы. Кроме того, в отличие от других альтернативных экологически безопасных источников энергоснабжения на основе возобновляемых ресурсов (солнце, ветер), малые ГЭС не являются заложниками погодных условий. Стабильная и надежная подача дешевой электроэнергии обеспечивается благодаря экономичности объектов малой гидроэнергетики.

Себестоимость добычи основных природных источников энергии, таких, как уголь, нефть и газ, постоянно растет. Да и запасы их истощаются. Соответственно и сама электроэнергия обходится потребителям все дороже и дороже. Возобновляемая энергия рек, свободна от этого недостатка, оставаясь доступной и постоянной. Поэтому использование малых ГЭС позволяет вырабатывать неизменно дешевую электроэнергию. При этом, по данным специалистов, затраты на строительство таких объектов окупаются достаточно быстро — в среднем от 3 до 5 лет.

Специалисты отмечают, что особую актуальность развитие малых ГЭС приобретает в энергодефицитных регионах России. Поставки электроэнергии с помощью федеральных централизованных их источников и сетей в такие области зачастую экономически неоправданны. А вот возведение объектов автономной малой энергетики и менее затратно, и более адресно. Ведь требуется обеспечить энергией не «площади и территории», а конкретных потребителей, которые располагаются с гораздо меньшей плотностью, нежели в индустриально развитых и густо населенных регионах страны.

Плюсом современных объектов автономной малой энергетики является и то, что они весьма просты и надежны в эксплуатации. Также благодаря автоматизации процессов нет необходимости в большом штате обслуживающего персонала. Как правило, в системе управления используется программируемый контроллер. С его помощью можно визуально отслеживать параметры гидроагрегата прямо на экране компьютера.

На сегодняшний день характеристики выпускаемых гидроагрегатов для малых ГЭС позволяют использовать их в широком диапазоне напоров и расходов. Они обладают высокими энергетическими показателями. Наряду с пропеллерными выпускаются агрегаты с радиально-осевыми и ковшовыми турбинами. Обычно в комплект поставки гидроагрегата, кроме генератора и турбины, входит также и система его автоматического управления. Все современное оборудование весьма наукоемко. Для повышения эффективности гидроагрегата при разработке проточных частей турбин широко используется метод математического моделирования.

Перспективность малой гидроэнергетики косвенно подтверждается и повышенным интересом к российским разработкам со стороны иностранных заказчиков. Например, микро-ГЭС, выпускаемые МНТО «ИНСЭТ», работают уже в Японии, Южной Корее, Бразилии, Гватемале, Швеции и Польше. К сожалению, пока что иностранные заказчики ведут себя явно активнее отечественных. Но специалисты уверены, что и в России малую автономную гидроэнергетику ждет блестящее будущее.

 

Андрей Леонидов

Автор: Андрей Леонидов
Дата: 04.04.2013
Журнал Стройпрофиль 106
Рубрика: энергосбережение




«« назад