Альтернативные источники энергии

Министерство образования и науки РФ Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова Кафедра ГСХ

" Альтернативные источники энергии"

Выполнила:

ст. гр. ГС — 31 Бондаренко О. В Проверил: Косухин М. М Белгород 2013

1. Определение проекта

• 2. Оценка конкуренции и рынка сбыта продукции
• 3. Технологическая часть

3.1 Солнечная энергия

3.2 Энергия биомассы

3.3 Геотермальная энергия

3.4 Энергетические ресурсы морей и океанов

4. Технологическая и коммерческая характеристика продукции

5. Технология производства

5.1 Солнечные батареи

5.2 Гидроэлектростанции

5.3 Ветрогенераторы

5.4 Тепловые насосы

Заключение

Библиографический список

Жилье человека появилось как укрытие от его врагов и — непогоды. Росли потребности человека, усложнялась типология его построек, архитектурные стили сменяли друг друга, и оказалось, что мы забыли о первоначальной функции архитектуры — формировать комфортную и безопасную для труда и отдыха среду. Среду искусственную, но остающуюся в гармонии с природой

В наши дни человек среднего достатка — по Европейским меркам — полжизни работает на то, чтобы купить дом, а другую половину — на то, чтобы оплатить расходы на его содержание. При нынешних темпах добычи дорожающие нефть, газ и уголь иссякнут через 50−100 лет, и наши северные города, вероятно, превратятся в мертвые каменные джунгли, если их раньше не затопят растаявшие ледники.

Сегодня в развитых странах здания потребляют почти половину расходуемой энергии. Для ее производства используют огромные объемы невосполнимых природных ресурсов — угля, нефти и газа, разогревая атмосферу Земли и сокращая пригодную для обитания человека среду. Но «модерновые» офисные «башни», торговые центры, многоэтажные жилые «пластины» и «таунхаусы» мегаполисов, требуя все больше энергии, не позволяют человеку снизить ее потребление до разумных пределов. Выход — в пересмотре профессиональных подходов к проектированию застройки, в формировании социального заказа общества на экологическую архитектуру.

1. Определение проекта

Учёные всего мира не дремлют. Днём и ночью идёт кропотливый мыслительный процесс, оплотом которого являются проблемы создания альтернативных источников энергии. Стоит сказать, что за последние тридцать лет мировая наука в этом направлении достигла определённых положительных результатов. Конечно, решать глобальные энергетические вопросы альтернативные источники энергии пока не в состоянии, но локальные энергетические потребности компенсировать вполне могут. Например, альтернативная энергетика нашла широкое применение при строительстве энергоавтономных эко домов.

Наибольшее значение имеют система электроснабжения. В экодомах она решена путём четырёх альтернативных систем получения энергии. Во-первых, это установка «солнечных батарей» из фотоэлектрических панелей, которые крепятся на крышах. Днём батареи вырабатывают энергию. Часть энергии расходуется, а часть остаётся в аккумуляторных батареях для ночных нужд.

Во-вторых, путём установки солнечных коллекторов. Это специальные приспособления, которые способны захватывать энергию солнца исключительно физическим путём, передавать её циркулирующей жидкости, которая в свою очередь способна нагревать бак с водой в доме. Есть два вида солнечных коллекторов — плоский и вакуумный. Второй вид очень эффективен в зимнее время. Солнечные коллекторы относятся к системе пассивного отопления дома. Не происходит ровным счетом никаких дополнительных действий со стороны хозяев. Просто изначально архитекторы спроектировали дом так, что конструктивные элементы здания способны самостоятельно улавливать энергию солнечного света.

В-третьих, возле экодомов могут устанавливать ветроэнергетические установки. Они эффективны в регионах, где круглогодично наблюдаются ветра определенной силы и интенсивности.

Поэтому в тихих и умеренных местах ветрогенераторы используются меньше. энергетика экодом фотоэлектрический солнечный

В-четвертых, возле экодомов могут устанавливаться миниГЭС, конечно, если рядом течёт речушка или ручеёк. Энергии от такой установки вполне хватит, чтобы подсветить иллюминацию на приусадебном участке или фонарь над мостиком через речку.

Не менее значима канализационная система дома. В экодоме в этом вопросе сплошные преимущества. Обычно стоки отводятся от дома в очистные сооружения, там подвергаются химической и механической обработке, после чего сбрасываются в реки, а затем вновь к нам в водопроводный кран. В экодоме стоки не накапливаются. Специальные бактерии, которые запускаются в соответствующий резервуар, способны полностью уничтожить стоки и превратить их в отличное органическое удобрении. Оно потом пригодится на приусадебном участке.

Вопросы вентиляции решаются в экодоме сами по себе. Во-первых, стены в экодоме дышащие. А, во-вторых, в качестве приточной вентиляции отлично работает открытая форточка.

Вопросы отопления в экодоме также решаются самостоятельно. Стены состоят из материалов, которые обладают максимальными теплоизоляционными свойствами (прессованные блоки из соломы и прочее). Опыт показывает, что даже в лютый мороз будет достаточно забросить в камин два полена или включить хороший калорифер. Тёплый воздух в доме появиться способен, а вот улетучиться нет.

2. Оценка конкуренции и рынка сбыта продукции

Давайте посмотрим, как строится традиционный кирпичным дом, и как распределяются расходы при строительстве. Планово-экономическая служба любого проектного института вам расскажет, что на возведение несущих конструкций затрачивается 20% расходов, на отделочные работы — 70% и на возведение инженерных систем жизнеобеспечения — порядка 10%. Последний пункт выглядит не очень затратно на общем фоне, однако именно инженерные системы при эксплуатации дома имеют наибольшее значение для жильцов. И ломаются они часто, и квартплата платится в основном за их обслуживание и стоимость ресурсов, которые перемещаются по ним до потребителя. В концепции экодомов авторы исключили такой традиционный элемент, как внешние коммуникации. Тем самым они избавили жильцов от необходимости вносить ежемесячную оплату за использования электричества и тепла.

По данным Российского агентства международной информации «РИА Новости» можно отследить тенденции развития электроэнергии по источникам энергии (рис. 2)

рис. 2 «Мировое производство электроэнергии по источникам энергии»

Отследив динамику энергопотребления за последние 200 лет, можно сделать вывод: потребление энергии на душу населения многократно выросло за последние два века, а растущий спрос в подавляющем большинстве случаев удовлетворялся за счет ископаемых энергоресурсов, а не альтернативной энергетики. Но в будущем ситуация должна измениться, так как ресурсы традиционных источников энергии ограничены. (рис. 3)

рис. 3 «Динамика энергопотребления за последние 200 лет»

3. Технологическая часть

3.1 Солнечная энергия Солнце — неисчерпаемый источник энергии — ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации — слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80−130 Вт/м², в умеренном поясе — 130−210, а в пустынях тропического пояса — 210−250 Вт /м².

Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

рис. 4 «Распределение плотности солнечного излучения на Земле»

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

Широта;

местный климат;

сезон года;

угол наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического положения и времени года (рис. 4). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) преобразовывание солнечной энергии в электрический ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал — для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Проще всего использовать энергию Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т.у.т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50−60 млн м², что обеспечивает получение 5−7 млн т.у.т. в год. В Европе к концу 2000 г. было построено около 11,7 млн м² коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли.

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня практически не распространены. Это связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии. Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование СВУ 3−6 месяцев в год (в зависимости от региона) экономически выгодно.

На данный момент используется несколько методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей. (ФЭП).

рис. 5 «Схема преобразования солнечной энергии в электричество с помощью ФЭП»

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все быстрее набирает обороты. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным толчком для развития ФЭП в мире является принятие национальных программ в разных странах («100 тысяч солнечных крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных крыш» в Японии, «1 млн. солнечных крыш» в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15−20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.

рис. 6 «Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей» .

На данный момент в мире работают тысячи фирм, производящих различные установки с ФЭП, но только десятки из них, в том числе в России, умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России ведутся работы по усовершенствованию ФЭП и развертыванию их промышленного производства. Так, например, ООО «Солнечный Ветер» сотрудничает более чем с 10 странами. За 1996;2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, существует один существенный фактор сдерживающий распространение ФЭП. Это высокая стоимость электроэнергии, производимой ФЭП. Дороговизна обусловлена высокой стоимостью технологического процесса и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты). Поэтому по всему миру ведутся исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП.

Сейчас самым перспективным направлением является внедрение в ФЭП концентраторов солнечного излучения. Россия и США — те страны, в которых исследования в этой области проводятся наиболее интенсивно.

Схема подключения солнечных батарей. Устройство солнечной батареи.

рис. 7 «устройство солнечной батареи»

Данная схема (рис. 7) показывает устройство солнечной батареи и принцип работы современного оборудования для получения электроэнергии от солнца. Принцип весьма несложный, на первый взгляд. Солнечные лучи попадая на солнечные батареи трансформируются в привычный нам электрический ток (постоянный, переменный), который либо используется в режиме реального времени по назначению, либо аккумулируется для дальнейшего использования. Излишки энергии, полученные в светлое время суток запасаются для применения в темное время. Современное оборудование позволяет получать ток даже в пасмурные дни, когда нет прямых лучей солнца. Данная схема подключения солнечных батарей наглядно демонстрирует это. Для преобразования солнечной энергии в электрическую кроме самых батарей используются инвертор, контроллер и аккумуляторы.

Во многих странах мира существуют программы, которые позволяют продавать излишки электроэнергии, что позволяет кроме обеспечения собственного хозяйства, еще и зарабатывать.

3.2 Энергия биомассы

По данным Associated Press энергия, вырабатываемая за счет биомассы, составляет около 12% в мировом энергетическом балансе, однако официальной статистикой не учитывается биомасса, не являющаяся коммерческим продуктом, но используемая для энергетических нужд. В европейских странах, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, однако в таких странах, как Австрия, Швеция, Финляндия использование энергии биомассы доходит до 23%.

В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Примерная схема получения энергии из биомассы представлена на рисунке 8. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

рис. 8 «Схема получения энергии из биомассы»

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы — производство из неё биогаза, состоящего на 50−80% из метана и на 20−50% из углекислоты. Его теплотворная способность — 5−6 тыс. ккал/м³. Например, опыты показывают, фермер, имеющий посевы рапса и рапсовое масло, может быть независимым от поставок моторного топлива .

Крупномасштабное увеличение объема производства биотоплива (например, этилового спирта) по этой причине может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов.

Второй серьезный недостаток — возможность обеднения и эрозии почв в результате интенсификации выращивания «энергетических» культур. Очевидная стратегия спасения от этих явлений — выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным. Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа.

Помимо первичной растительной биомассы, значительным энергетическим потенциалом обладают отходы животноводства, промышленные отходы и твердые бытовые отходы (ТБО).

Мусороперерабатывающие фабрики либо сжигают ТБО, либо газифицируют их. Навоз и жидкие бытовые стоки являются основным сырьем от животноводства, которое перерабатывается в биогаз.

рис. 9 «Схема устройства биогазовой установки»

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10−12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8−9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Широкое распространение энергия биомассы получила в развивающихся странах. Так большинство из них расположено на территории Азии, Африки и Южной Америки.

рис. 10 «Использование биомассы в качестве источника энергии в мире»

В России образуется около 60 млн. т ТБО, примерно 130 млн. т отходов животноводства и птицеводства, около 10 млн. т сточных вод ежегодно.

Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т.у.т. Но используется лишь малая часть его. В этом направлении надо вести большую работу. Потому что, помимо пополнения запасов энергии, решается еще одна серьезная проблема России — экология. Ведь при переработке отходов мы сокращаем количество мусорных свалок и долин.

Определенных успехов достигли отечественные ученые в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производится очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы — метантенки. Этот метод переработки отходов начали повсеместно внедрять во многих городах России.

В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70% метана и 30% диоксида углерода.

В данный момент в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр

" ЭкоРос". С 1997 года по документации ЗАО Центр «ЭкоРос» освоено производство таких установок в Китае в г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии. Всероссийский Институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разрабатывает биоэнергетические установки для свиноферм;. ЗАО ВНИКОМЖ (Всероссийский Институт комплексной механизации животноводства) -создает биоэнергетические установки (БЭУ) для птицеферм и фабрик. Кафедра химической энзимологии МГУ им. Ломоносова создает технологию переработки супержидких стоков.

С одной стороны Россия уже достигла серьезных успехов в области получения энергии из биомассы и промышленных отходов, но в то же время, нельзя останавливаться на достигнутом, потому что энергетический потенциал биомассы колоссален.

3.3 Геотермальная энергия Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Так, например, маленькая европейская страна Исландия — «страна льда» в дословном переводе — полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли — других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли.

Геотермальная энергия — это энергия, получаемая за счет физического тепла глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м². Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры — так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2−3К/100м. Но в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100^о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

рис. 11 «Схема разреза Альпийского нагорья с наличием геотермальных электростанций»

Считается, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100^о С, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).

На данный момент общая мощность всех действующих в мире ГеоЭС близится к 10 ГВт (э). Общая мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т).

Россия чрезвычайно богата на запасы геотермальной энергии. По данным ИНЭИ РАН, они в10−15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30^о до 200^о С. На сегодняшний день на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые можно использовать для локального теплоснабжения при помощи высоких технологий на всей территории России. Так как скважины уже пробурены, геотермальная энергия, получаемая за счет них, будет экономически выгодной.

рис. 12 «Технический потенциал использования геотермальной энергии в России»

В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт (э), а также Кавказ. В 1999 г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт (э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт (э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж.

Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т. п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования.

В России большое количество запасов термальных вод с довольно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Особый интерес представляет и тепло поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год остается практически неизменной и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СН, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Также оправдано строительство геотермальных электростанций неподалеку от мусорных полигонов. На мусорных свалках, вследствие разложения органических отходов, образуется газ с очень интенсивным запахом, состоящий главным образом из горючего метана и двуокиси углерода. Из тонны мусора образуется около 150−250 м³ газа. Метан из мусора дает тепло и энергию и снижает загрязнение окружающей среды. Схема производства энергии при помощи газа мусорных полигонов представлена на рисунке 13.

рис. 13 «Схема преобразования тепла и энергии метана в электроэнергию»

Достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы.

3.4 Энергетические ресурсы морей и океанов Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов, возникающих в результате гравитационного взаимодействия вращающейся вокруг своей оси Земли с Луной и Солнцем. Лунные приливы примерно в два с половиной раза сильнее солнечных. Во многих случаях солнечные и лунные приливы могут совмещаться, взаимно усиливая или ослабляя друг друга.

рис. 14 «Схема действия приливных электростанций»

В открытом море приливная волна невысокая и практически не ощущается, но вблизи берегов ее высота может существенно возрастать, достигая нескольких метров, что позволяет использовать энергию перемещаемой приливом воды для выработки электроэнергии на ПЭС.

Приливы, как и отливы, происходят дважды в день в заранее известное время. Их высота также известна и закономерно изменяется в течение месяца. В связи с этим ПЭС имеют четкий и неизменный график работы, выдавая электрический ток в энергосистему четыре раза в сутки.

Из всех разработанных методов использования энергии приливов и отливов наиболее эффективным является создание системы приливных бассейнов.

При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов.

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.

Теоретический потенциал приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах — Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время экономически эффективным считается использование приливов с высотой не менее 4 м. Высота приливов сильно зависит от конфигурации побережья. Во внутренних морях, например в Черном и Балтийском, приливы невелики. Как правило, наибольшие приливы возникают в глубоко вдающихся вглубь материка заливах, в том числе в устьях рек. Наибольшая известная высота приливов (до 18 м) наблюдается в заливе Фанди в Канаде.

рис. 15 «Характеристика ПЭС России»

В настоящее время приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове на берегу Баренцева моря и в Приморье.

Перспективные для строительства ПЭС участки есть в России, Великобритании, Франции, Норвегии, Южной Корее, Китае, Аргентине, США. Всего не менее 80 створов.

В целом экономически эффективный к использованию потенциал приливной энергии сегодня оценивается в 450 млрд кВтч в год, в дальнейшем по мере совершенствования приливных электростанций его величина может существенно возрасти.

4. Технологическая и коммерческая характеристика продукции

Идеальная модель экодома представляет собой независимое от внешнего мира «умное» сооружение из экологически чистых материалов. Настоящий экодом — это здание, построенное из древесины и расположенное таким образом, чтобы максимально эффективно использовать природную энергию. Принципиальной особенностью такого типа сооружений является «бережное отношение» к окружающей среде, то есть нанесение минимального ущерба природе в момент, когда осуществляется строительство экодома и в период его последующей эксплуатации.

При возведении экодома могут использоваться различные типы материалов. Каркас может быть изготовлен из дерева, который заполняется грунтоблоками, глиной, соломой, красным кирпичом, ячеистым бетоном. В роли утеплителя выступает камыш, солома, льняная костра, опилки, целлюлоза; в качестве связующего добавляется торф. Для облицовки применяют гипс, керамику, известь, дерево, песок.

Обеспечение экодома водными ресурсами осуществляется, что называется, «напрямую с неба» — это атмосферные осадки, конденсат, а также очищенные грунтовые и сточные воды.

Решение вопроса снабжения энергетическими ресурсами происходит благодаря применению на этапе строительства экодома передовых технологий — солнечных батарей (панелей), ветрогенераторов.

рис. 16 «Солнечные батареи»

Работа солнечных батарей заключается в преобразовании солнечной энергии в электрическую с выработкой постоянного тока. Солнечные панели имеют вид тонкой пластины, которая образует полупроводниковое устройство. Экономия электроэнергии при использовании данного вида технологии составляет порядка 70% и выделяемая энергия экологически чистая. Этот вид устройств можно отнести к альтернативному; это подтверждается тем, что запасов полезных ископаемых, в частности, угля, хватит не так надолго, как энергии солнца.

Это же можно сказать и о ветряной энергии, которая постоянна и неисчерпаема. Установив ветряной генератор, который вырабатывает несколько кВт в час, можно обеспечить энергией целый экодом.

Минусом ветрогенераторов является неприятный для человека низкочастотный звук, воспроизводимый ими при работе.

Чтобы снабжать экодом должным количеством кислорода широко применяются специальные системы вентиляции и кондиционирования. Потери тепла при этом минимальны, так как в процессе воздухообмена используется система с высокоэффективной рекуперацией тепла. Суть процесса заключается в том, тепло берется из внутреннего воздуха и происходит его непрерывная подача во все помещения, при этом большая часть тепла остается внутри здания.

Отличительной особенностью здания, называемого экодом, является способность получения комфортной температуры как в теплый период, так и в период холодов без крупногабаритной отопительно-охлаждающей системы. Летом такой тип сооружения прогревается достаточно быстро, поэтому на этапе, когда рассматриваются проекты экодомов, необходимо заранее продумать наличие разного рода «козырьков», выступов и тентов. Такой прием используется для небольшого затенения окон, светопроницаемость при этом не меняется. Если существует необходимость дополнительного обогрева помещения, на помощь приходит природная энергия, которая посредством солнечных коллекторов и тепловых насосов переходит в энергию тепловую. В основе принципа работы теплового насоса лежит использование геотермальной энергии, которая является самым распространенным и постоянным источником тепла. Этот вид энергии заключает в себе два преимущества: первое — ею можно воспользоваться в любое время вне зависимости от погодных условий, второе — стабильная регенерация за счет солнечной энергии и тепловой энергии планеты.

Рис. 17 «Расположение теплового насоса на участке»

Перед тем как начать строительство экодома, необходимо выбрать наиболее подходящий вариант установки теплового насоса. Первый вариант заключается в бурении скважин, куда размещается в последствии теплообменный контур. В случае если трубы укладываются выше глубина промерзания, можно обойти процесс бурения, но возникнет необходимость полностью перекопать участок. Также избежать процесса бурения можно, если участок расположен вблизи водоема, в этом случае контур укладывается на дне. Можно и вовсе избежать процесса укладывания теплообменника, перекапывания участка и бурения скважин и установить тепловой насос «воздушным» методом, однако этот способ имеет один довольно неприятный недостаток — он практически перестает функционировать при температуре -15°С.

5. Технология производства

5.1 Солнечные батареи

Схема производства

— Подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;

— Структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;

— Легирование, нанесение фосфора;

— Диффузия фосфора, вжигание;

— Создание P-n-перехода, изолирование его, удаление не нужных слоев;

— Нанесение антиотражающего слоя SiN;

— Металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);

— Сушка и вжигание;

— Создание контактов на лицевой стороне пластины;

— Выравнивание пластины;

— Проверка и тестирование.

Оборудование под каждый из этапов поставляют европейские и американские компании — RENA, Roth&Rau, DESPATCH, BACCINI, MANZ — одни из мировых лидеров по производству оборудования в сфере солнечной энергетики. В России данные компании представляет ООО «СОВТЕСТ АТЕ» .

рис. 18 «Оборудование для выполнения жидкостной химической обработки»

Пластины на производство поступают практически готовыми к дальнейшему их использованию, необходимо только удалить повреждения, образующиеся на поверхности при резке. В этих целях применяется оборудование для выполнения жидкостной химической обработки, производителем которого является компания RENA (Германия). Помимо этого, установки компании, а в частности система серии InTex, улучшает светоудерживающие свойства пластин путем создания структуры на их поверхности.

рис. 19 «Фото со сканирующего электронного микроскопа»

На картинке приведена фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, структуры, полученной на поверхности пластины после обработки ее в системе InTex. Данный процесс выполняется с помощью кислотных (реже — щелочных) реагентов. Системы позволяют работать с пластинами диаметром 125 и 156 мм, толщиной от 150 мкм.

рис. 20 «Диффузионная печь»

Следующий этап — процесс нанесения на пластину слоя фосфора и его вжигание, эти процессы могут быть выполнены на одной установке — в диффузионной печи компании DESPATCH, которая позволяет выполнять процесс одновременно на двух сторонах пластины. Печи этой компании отличает довольно высокая производительность, однородность поддержания температуры внутри печи и высокая скорость набора температуры, а также способность конфигурирования конвейера как справа налево, так и слева направо.

рис. 21 «Установка для снятия ненужных слоев фосфосиликатного стекла»

После диффузии пластины попадают на установку компании RENA — в систему серии InOx, предназначенную для эффективного снятия ненужных слоев фосфосиликатного стекла (необходимо для повышения производительности), а также выполняющую дополнительную очистку пластин перед осаждением нитрида кремния, что выполняется на установке компании Roth&Rau.

рис. 22 «Установка для нанесения антиотражающего покрытия»

Оборудование серии SiNA® предназначено для нанесения антиотражающего покрытия (SiN) и для пассивации солнечных батарей. Данная установка выполняет один из основных этапов в производстве солнечных батарей, т.к. сильно влияет на КПД батарей. Следующий этап — это создание металлических контактов на обратной стороне пластины. Можно выполнить методом трафаретной печати (например, на принтерах компании BACCINI), после чего пасту сушат в печах DESPATCH.

рис. 23 «Пластина»

После всех этих процессов практически в 100% случаев пластина приобретает изгиб вследствие термического напряжения различных материалов; избавиться от него необходимо, чтобы в дальнейшем, при встраивании пластин в модули, не произошла их поломка.

Для этого компания DESPATCH разработала специальную установку — систему быстрого термического шока серии IL-RTS. Эта система имеет несколько рабочих зон, где пластины сначала подвергаются очень резкому охлаждению — до -70 °С, а потом — нагреванию до +200 °С. Установка позволяет значительно снизить риск растрескивания пластин при дальнейшей работе с ними, а также позволяет расширить список используемых для печати паст.

Все процессы в описанной выше линейке оборудования выполняются автоматически, каждый из этапов всей технологической цепочки соединен со следующим. Автоматические роботы для загрузки и разгрузки пластин, а также промежуточные конвейеры поставляет немецкая компания MANZ Automation. Один такой робот способен перемещать до 3600 пластин в час, при этом риск поломки не превышает 0.1%. Разработанные компанией MANZ роботы имеют большое преимущество перед обычными механическими держателями, т.к. позволяют работать с очень тонкими пластинами, толщина которых может опускаться ниже 120 мкм.

Помимо автоматизации, компания также поставляет тестеры, которые могут быть использованы для оценки качества пластин как на входе, так и на выходе из линейки.

5.2 Гидроэлектростанции

рис. 24 «Схема плотины ГЭС»

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

· мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

· средние — до 25 МВт;

· малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

рис. 25 «Типичная для горных районов Китая малая ГЭС (ГЭС Хоуцзыбао, уезд Синшань округа Ичан, пров. Хубэй).

Вода поступает с горы по чёрному трубопроводу"

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

· высоконапорные — более 60 м;

· средненапорные — от 25 м;

· низконапорные — от 3 до 25 м.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

· русловые и плотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

· приплотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

· деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации.

Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

· гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

5.3 Ветрогенераторы

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта. Различают два основных типа ветротурбин:

· с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные, в т. ч. ротор Савониуса — лопастные, ротор Дарье — ортогональные);

· с горизонтальной (крыльчатые).

Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ

Широкое использование горизонтально-осевых ВЭУ обусловлено их высокой эффективностью. Даже самый посредственный лопастной ветряк легко достигает коэффициента использования энергии ветрового потока (КИЭВ) в 30 %. А самый тщательно отлаженый роторный, в лучшем случае, — 20%.

Устройство

ВЭУ состоит из:

1. ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;

2. электрогенератора;

полученная электроэнергия поступает в:

· Контроллер заряда аккумуляторов, подключенный к

o аккумуляторам (обычно необслуживаемые на 24 В)

· Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети рис. 26 «Промышленная ветряная установка»

Устройство ветрогенератора Состоит из:

1. Фундамент

2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

3. Башня

4. Лестница

5. Поворотный механизм

6. Гондола

7. Электрический генератор

8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

9. Тормозная система

10. Трансмиссия

11. Лопасти

12. Система изменения угла атаки лопасти

13. Обтекатель

· Система пожаротушения

· Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора

· Система молниезащиты

· Привод питча

5.4 Тепловые насосы Схема обогрева дома с помощью теплового насоса

1. Тепловой насос

2. Трубопровод, уложенный в земле

3. Бойлер косвенного нагрева

4. Система отопления «теплый пол»

5. Контур подачи горячей воды рис. 27 «Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса»

Принцип действия теплового насоса В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от -15 до +15 °С, воздух отводимый из помещения с температурой 15−25 °С, подпочвенные (4−10 °С) и грунтовые (более 10 °C) воды, озерная и речная вода (0−10 °С), поверхностный (0−10 °С) и глубинный (более 20 м) грунт (10 °С). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32 °C.

В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система работает по схеме «вода-вода». Вода подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, а после отбора тепла, сбрасывается либо в другую скважину, либо в водоем. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы.

По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора — вертикальный и горизонтальный.

· При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2−1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2−4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.

рис. 28 «Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб»

1. Тепловой насос

2. Трубопровод, уложенный в земле

3. Бойлер косвенного нагрева

4. Система отопления «теплый пол»

5. Контур подачи горячей воды

Однако при укладке спиралью сильно увеличивается гидродинамическое сопротивление, что приводит к дополнительным затратам на прокачку теплоносителя, так же сопротивление увеличивается по мере увеличения длины труб.

· При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20−100 м.

рис. 29 «Схема вертикального зонда»

Стремление человека найти новый неиссякаемый источник энергии, безопасный для нашей и других планет, привел к тому, что солнечная энергетика на сегодняшний день становится все более и более популярной темой по всему миру. Потребление человеком энергии растет, и по прогнозам к 2015 году оно составит уже 361 ГВт, а традиционные ресурсы (нефть, газ и уголь) на Земле ограничены, кроме этого их интенсивное использование человеком загрязняет планету.

По сравнению с другими альтернативными источниками энергии (гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового Океана, ветровая и геотермальная энергии), энергия Солнца имеет неограниченный потенциал, Солнце несет неограниченный запас энергии, нужно только научиться правильно использовать ее. В связи с этим на мировом рынке наблюдается усиленная работа по развитию технологий и снижению цен на солнечные батареи, над этим вопросом работают ведущие институты и производители мира. Правительства многих стран принимают Программы поддержки солнечной энергетики, в России, к сожалению, подобных программ пока нет. Наше государство приняло ряд поправок в ФЗ «Об электроэнергетике», разрушив таким образом монополию в сфере энергетики, однако актов под это еще нет, и неизвестно, как они будут выглядеть.