База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии
| Вид материала | Реферат |
- Нормативно-техническое регулирование в области возобновляемых источников энергии, 182.94kb.
- Краткий обзор тенденций, возможностей и препятствий на пути развития и использования, 1789.34kb.
- Программа подготовки: Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Квалификация, 134.53kb.
- Магистерская программа: Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Квалификация, 198.73kb.
- Тема: нетрадиционные источники энергии, 237.02kb.
- Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
- Рекомендации участников международного Круглого Стола «Опыт применения энергоэффективных, 54.29kb.
- Программа подготовки: Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Квалификация, 130.18kb.
- Учебный курс «Экология инженерных систем» Модуль 3 «Использование возобновляемых источников, 57.39kb.
- Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения Пицунова, 95.83kb.
База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии
ссылка скрыта
База знаний разработана в рамках проекта "Развитие Учебно-научного центра "Высокоэффективные технологии и системы использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии", выполненного Уфимским государственным авиационным техническим университетом и Институтом механники РАН.
ссылка скрыта Содержание
ссылка скрыта
1. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
2. Энергетические установки низкотемпературных и возобновляемых источников энергии
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
Введение
С
каждым годом все больше обостряются вопросы, связанные с дальнейшими путями развития энергетики. С одной стороны, рост населения, стремление к повышению жизненного уровня людей диктуют целесообразность наращивания мощностей энергетики, и в первую очередь электроэнергетики, причем просто гигантскими темпами; с другой стороны, возникающие экологические проблемы, истощение природных источников сырья, и, в первую очередь, нефти и газа, требуют более экономичного и рационального использования полученной энергии и потенциальной энергии ее источников. Согласно последним данным МИРЭС, опубликованным в отчете "Энергия для завтрашнего мира", доказанные извлекаемые запасы органического топлива в мире составляют 1220 млрд.т.у.т., тогда как извлекаемые ресурсы, оцененные весьма условно - в 4,5 раза больше. С учетом нетрадиционных ресурсов (тяжелой нефти, природного битума и нефтяных сланцев) это превышение над указанными запасами будет составлять около 5,2 раза. С учетом достигнутых к настоящему времени уровней добычи органического топлива можно сделать следующие выводы:
· доказанные запасы органического топлива достаточны для удовлетворения ожидаемого роста мирового спроса на них в течение многих десятилетий, при этом за последние годы размеры доказанных запасов не только не сократились, но и существенного увеличились;
· мировые геологические ресурсы всех видов органического топлива являются достаточными также для компенсации убывания их доказанных запасов;
· за пределами середины следующего столетия, однако, может оказаться, что только ресурсы углей будут достаточны для компенсации убывания разведанных запасов, тогда как ресурсы нефти и газа сократятся настолько, что придется ограничить их добычу.
" Известные " ресурсы урана в мире в настоящее время оцениваются в 2,4 млн. т, а годовая потребность в нем для 420 действующих в мире ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс.т. Таким образом, указанные выше " известные " ресурсы урана достаточны для работы ныне действующих АЭС в течение 41 года. С учетом трудно добываемого урана, обеспеченность запасами ядерного горючего возрастает до 64 лет. Хотя, конечно, использование плутония или реакторов-размножителей на быстрых нейтронах увеличит этот срок.
Тем не менее, хотя исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии в ближайшее время человечеству не грозит, в последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Говоря о перспективной и стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна во многом опираться на НВИЭ. Тем более что кроме постоянно беспокоящего факта о невозобновляемости традиционных энергоисточников, энергетика, основанная на их использовании, т.е. на сжигании органического топлива, наносит значительный ущерб окружающей среде, и в долгосрочной перспективе может привести к нежелательным глобальным изменениям климата. Атомная же энергетика встречает активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий с радиационным загрязнением больших территорий.
Период времени порядка 50-60 лет дается человеку для дальнейшего повышения эффективности традиционных способов производства энергии и для внедрения НВИЭ, обладающих большими потенциальными возможностями, и за счет которых пока еще удовлетворяется весьма незначительная часть мировых энергетических потребностей. В начале нынешнего десятилетия годовое производство энергии в мире на базе НВИЭ оценивалось в 240 млн.т.у. т., что соответствует примерно 2% общих мировых потребностей в первичных энергетических ресурсах за год в настоящее время. А по прогнозам МИРЭС, за счет НВИЭ в 2000 году может быть произведено при различных вариантах развития мирового энергохозяйства, и в зависимости от степени поддержки на государственном уровне работ по освоению этих источников энергии от 4,0 до 4,5 млрд.т.у. Т. или 18-27% всей мировой потребности.
Все это привело к тому, что в промышленно развитых странах энергопотребление в последние время либо уменьшилось, либо его рост существенно замедлился. В связи с этим планирование строительства новых крупных электростанций связано с большой неопределенностью, а следовательно, с риском. Энергокомпании предпочитают наращивать мощности путём строительства сравнительно небольших энергетических блоков, а это характерно для НВИЭ; и при помощи повышения КПД действующих энергоблоков.
Во многих промышленно развитых странах, где резервы собственного органического топлива сильно исчерпаны или не имелись изначально, и энергетика которых базируется, в настоящий момент, на импортных поставках, вопросы использования НВИЭ становятся всё более актуальными, активно ведутся работы по их применению в энергетике.
Для развивающихся стран, и стран, переживающих сегодня экономический кризис, характерен дефицит больших капиталовложений, исключающий возможность сооружения крупных традиционных электростанций. В то же время установки с НВИЭ, как правило, имеют модульный характер и позволяют вводить в строй сравнительно малые мощности, наращивая их по мере необходимости.
В России имеются отдалённые регионы, которые не присоединены к системам центрального электроснабжения и где по некоторым оценкам проживает около 20 млн. чел. Для них электро - и теплоснабжение на базе НВИЭ явилось бы решением огромной социальной проблемы.
В общем же анализ показывает, что к 2020 г. общие потребности мира в первичных энергоресурсах существенно возрастут, причём до 85% этого прироста произойдёт в результате увеличения энергетических потребностей в большой группе стран, относящихся в настоящее время к категории развивающихся. А учитывая прирост мирового населения в два раза в ближайшие десятилетия и более чем в три раза городского населения, нельзя продолжать использовать энергию, таким образом, как это привыкли делать.
Спрос на услуги, которые предоставляет энергетика, - отопление, охлаждение, освещение, бытовые приборы, промышленность, транспорт - существенно возрастет. Энергия удовлетворяет основные потребности и предоставляет основные услуги, она является существенным компонентом социального развития и экономического роста. Проблема заключается в обеспечении требуемых энергетических услуг для растущего населения мира без последствий для окружающей среды, которые в конечном счете, могут стать непреодолимыми.
Решение этой проблемы требует существенных перемен в мировом энергетическом балансе. Но энергетические системы не могут быть изменены быстро, поэтому ближайшие 30 лет будут критически важной переходной фазой при реализации долгосрочных целей. Следовательно, необходимо инициировать перемены сейчас, если страна стремится достичь успешного длительного развития.
Настоящий отчет не может претендовать на глубокое осмысливание места нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и тем более современного состояния энергетических установок, использующих нетрадиционные низкотемпературные источники энергии, имеющие широкое применение в мировой энергетике.
Цель всей работы по проекту ““Высокоэффективные технологии и системы
использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии” - показать большие перспективы использования низкопотенциальных энергоресурсов в России и показать слабое развитие индустрии производства и эксплуатации энергетических систем, использующие эти ресурсы. Вдохнуть в них жизнь, просмотреть перспективы современных методов проектирования таких энергетических систем, выдвинуть предложения с конкретными проектами.
В первом разделе дан анализ нетрадиционных источников энергии и сведения о некоторых энергоустановках, использующих эти источники энергии. Особое внимание при этом уделено теплонасосам как перспективным энергетическим установкам, могущим обеспечить эффективность энергетики России.
1.1. Солнечная энергия
В
конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира [57] было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar Оne) была построена в Калифорнии. Все эти СЭС построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни; ресивер представляет собой по существу солнечный котёл, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый затем в стандартную паровую турбину. К настоящему времени ни одна из этих СЭС более не эксплуатируется, поскольку намеченные для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих электростанций оказалась невыгодной. В 1992 г. Эдисоновская компания Южной Калифорнии, основала консорциум из энергетических и промышленных компаний, которые вместе с Министерством энергетики США финансируют проект по созданию башенной СЭС Solar Two путем реконструкции Solar One. Мощность Solar Two по проекту должна составить 10 МВт, т.е. остаться той же, что и ранее. Основная идея намеченной реконструкции состоит в том, чтобы заменить существующий ресивер с прямым получением водяного пара на ресивер с промежуточным теплоносителем (нитратные соли). В схему СЭС будет включен нитратный бак-аккумулятор вместо примененного в Solar One гравийного аккумулятора с высокотемпературным маслом в качестве теплоносителя. Пуск реконструированной СЭС намечался на 1996 г. Разработчики рассматривают её как прототип, который позволит на следующем этапе создать СЭС мощностью 100 МВт. Предполагается, что при таком масштабе СЭС этого типа окажется конкурентоспособной с ТЭС на органическом топливе.
Второй проект-башенная СЭС PHOEBUS реализуется немецким консорциумом. Проект предполагает создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30 МВт с объёмным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух, направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется так, чтобы в течение всего светового дня поддерживать заданную мощность. Расчеты показывают, что, например, для годового прихода солнечного излучения 6,5 ГДж/м2 (близко к тому, что характерно для некоторых южных районов России) эта СЭС, имеющая суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м2 будет получать 290,2 ГВт. ч/год солнечной энергии, а количество энергии, внесенной с топливом, составит 176,0 ГВт. ч/год. При этом СЭС выработает в год 87.9 ГВт.ч электроэнергии со среднегодовым КПД 18,8 %. При таких показателях стоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, ожидается на уровне ТЭС на органическом топливе.
Начиная с середины 80-х годов, в Южной Калифорнии компанией LUZ, были созданы и пущены в коммерческую эксплуатацию девять СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (ПЦК) с единичными мощностями, которые наращивались от первой СЭС к последующим от 13,8 до 80 МВт. Суммарная мощность этих СЭС достигла 350 Мвт. В этих СЭС использованы ПЦК с апертурой, которая увеличивалась при переходе от первой СЭС к последующим. Следя за солнцем по одной оси, концентраторы фокусируют солнечную радиацию на трубчатых приемниках, заключенных в вакуумированные трубы. Внутри приемника протекает высокотемпературный жидкий теплоноситель, который нагревается до 380°С и затем отдает тепло водяному пару в парогенераторе. В схеме этих СЭС предусмотрено также сжигание в парогенераторе некоторого количества природного газа для производства дополнительной пиковой электроэнергии, а также для компенсации уменьшенной инсоляции.
Указанные СЭС были созданы и эксплуатировались в то время, когда в США существовали покровительственные законы, позволявшие СЭС безубыточно функционировать. Окончание срока действия этих законов в конце 80-х годов привело к тому, что компания LUZ обанкротилась, а строительство новых СЭС этого типа было прекращено.
Компания KJC (Kramcr Junction Company), которая эксплуатировала пять из построенных СЭС (с 3 по 7), поставила перед собой задачу повысить эффективность этих СЭС, сократить расходы на их эксплуатацию и сделать их экономически привлекательными в новых условиях. В настоящее время эта программа успешно реализуется.
В развивающихся странах речь идет о применении сравнительно мелких установок для электроснабжения индивидуальных домов в отдаленных деревнях для оснащения культурных центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. В этих приложениях на первый план выступает не стоимость электроэнергии, а социальный эффект. Программы внедрения ФЭУ в развивающихся странах активно поддерживаются международными организациями, в их финансировании принимает участие Мировой банк на основе, выдвинутой им "Солнечной Инициативы". Так, например, в Кении за последние 5 лет с помощью ФЭУ было электрифицировано 20 000 сельских домов. Большая программа по внедрению ФЭУ реализуется в Индии, где в 1986 - 1992 гг. на установку ФЭУ в сельской местности было затрачено 690 млн. рупий.
В промышленно развитых странах активное внедрение ФЭУ объясняется несколькими факторами. Во-первых, ФЭУ рассматриваются как экологически чистые источники, способные уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Во-вторых, применение ФЭУ в частных домах повышает энергетическую автономию и защищает владельца при возможных перебоях в централизованном электроснабжении [57, 64,86].
1.2. Энергия ветра
В
етроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики.
Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.
Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию к снижению.
Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс.ч.
В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса.
Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.
Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.
Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 °/о потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.
По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт.ч, то сегодня она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что планируемое Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до 2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально [57, 90,94].
В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.
1.3. Энергия биомассы
Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако её использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках, но также с весьма низким КПД. В последнее время внимание к эффективному энергетическому использованию биомассы существенно повысилось, причем в пользу этого появились и новые аргументы:
· использование растительной биомассы при условии её непрерывного восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосфере;
· в промышленно развитых странах в последние годы появились излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно использовать под энергетические плантации;
· энергетическое использование отходов (сельскохозяйственных, промышленных и бытовых) решает также экологические проблемы;
· вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно.
Потенциал биомассы, пригодный для энергетического использования в большинстве стран достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.
В США в 1990 г. благодаря использованию биомассы было произведено 31 млрд. кВт.ч электроэнергии, кроме того, за счет твердых бытовых отходов (ТБО) еще 10 млрд. кВт.ч. На 2010 г. планируется выработать соответственно 59 и 54 млрд. кВт.ч. Оценка технического потенциала различных видов биомассы, выполненная в Германии, дает: остатки лесной и деревоперерабатывающей промышленности - 142 млн. ГДж/год; солома - 104 млн. ГДж/год; биогаз - 81 млн. ГДж/год.
Эти оценки сделаны при весьма осторожных предположениях. В частности, предполагается, что доля отходов лесной промышленности составляет 25% годового прироста древесины. Аналогично для соломы учитывается ее количество, которое должно остаться на поле для поддержания содержания гумуса в почве. Для биогаза учитываются только хозяйства, имеющие не менее 20 голов крупного рогатого скота или эквивалентного количества свиней или птицы.
Серьезной проблемой является энергетическое использование ТБО. Мусоросжигающие установки (инсинераторы), имеющиеся во многих странах мира, малоэффективны и не удовлетворительны с точки зрения экологии. Поэтому разработка новых схем использования ТБО представляется весьма актуальной (см. разд. 3).
Особенно остра проблема эффективного использования биомассы для развивающихся стран, прежде всего для тех, у которых биомасса является единственным доступным источником энергии. Здесь в основном речь идет о рациональном использовании древесины и различных сельскохозяйственных и бытовых отходов. Известно, что сегодня население некоторых стран, прежде всего Африки, вырубает леса на дрова для приготовления пищи, и что этот процесс обезлесевания представляет собой угрозу как местному, так и глобальному климату. Используемые сегодня дровяные очаги для приготовления пищи имеют КПД 14-15%. Применяя более совершенные устройства, этот КПД легко повысить до 35- 50 %, т.е. сократить потребность в исходном топливе более чем в 3 раза.
Хорошо известна программа Бразилии, посвященная получению из отходов сахарного тростника метанола, применяемого как моторное топливо для автотранспорта. Однако этот пример интересен только для стран с соответствующим климатом.
Большое распространение в некоторых странах (Китай, Индия и др.) получили малые установки, утилизирующие отходы для одной семьи. В этих установках, число которых исчисляет миллионами, в результате анаэробного сбраживаних производится биогаз, используемый для бытовых нужд. Эти установки весьма просты, но не очень совершенны. Для больших ферм со значительным количеством отходов создаются более эффективные биогазовые установки [57,94].
1.4. Источники низкопотенциальной теплоты