Файл: Курс лекций для студентов электроэнергетиков Направление подготовки 140400 Электроэнергетика.doc

3.2.3. Геотермальная энергия и ее использование в электроэнергетике

Существуют два качественно различных источника геотермальной энергии: гидротермальные (паротермальные) источники тепла, представляющие собой не что иное, как подземные запасы горячей воды и пара, с температурой в большинстве случаев порядка 100 °С (иногда 300-350 °С), и так называемые петротермальные [17]. Так как горячая вода и пар сравнительно редко выходят на поверхность самопроизвольно (это происходит обычно в геотермических районах, например на Камчатке, в Японии, Новой Зеландии, Исландии) в виде гейзеров и горячих источников, то для использования их тепла приходится бурить скважины.

Петротермальные источники тепла это нагретые обычно твердые и сухие породы. Геотермальное тепло Земли почти исключительно сконцентрировано в петро-термальных источниках. В настоящее время развитие получили главным образом гидро - и паротермальные источники, которые используются как для теплофикации, так и для производства электроэнергии.

Общая установленная мощность геотермальных электростанций составляет 10,7 ГВт при годовой выработке около 60 млрд. кВтч. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США (16 млрд. кВтч.). На втором месте находятся Филиппины.

В СССР первая геотермальная электростанция, мощностью 11 МВт была построена в 1966 году на Камчатке, в долине реки Паужетка. На Мутновском месторождении термальных вод 29 декабря 1999 года запущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт.10 апреля 2003 года запущена в эксплуатацию первая очередь Мутновской ГеоЭС, установленная мощность на 2007 год – 50 МВт, планируемая мощность станции составляет 80 МВт, выработка в 2007 году составила 360,687 млн. кВтч. Станция полностью автоматизирована.

На рис. 3.9 изображена принципиальная схема геотермальной электростанции, непрямого цикла. На такой станции горячий пар или вода источника подаются не непосредственно на турбину

---

, а на теплообменник, в котором циркулирует вода второго контура.

Главной проблемой при использовании геотермальной энергии является необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.



Рис. 3.9.- Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя:

1 – скважина эксплуатационная; 2 - скважина нагнетательная; 3 – парогенератор; 4 – насос; 5 – конденсатор; 6 – турбина; 7 – генератор; 8 – градирня;
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 [17].

3.2.4. Использование солнечной энергии

Солнце – самый мощный источник энергии по сравнению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой 4·10¹⁴ млрд. кВт [1]. Для всей поверхности Земли солнечная радиация составляет величину, близкую 10⁵ млрд. кВт. Эта цифра во многие тысячи раз превышает не только сегодняшнюю, но и перспективную потребность человечества в энергии.

Солнечная энергия может использоваться как для производства электроэнергии, так и для отопления и горячего водоснабжения. В настоящее время для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию применяются два способа:

1. 
   использование для этой цели полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую;
   
2. 
   создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий, например, на угле, заменяется «солнечным» паровым котлом.
   

Общая годовая выработка солнечных электростанций мира в 2008 г. составила 120,9 млрд. кВтч, из которых только 0,9 млрд. кВтч выработано на паросиловых установках. Установленная мощность солнечных электростанций на ФЭПах составляет около 40 ГВт. Наибольшее развитие солнечная энергетика получила в Германии, Испании, Китае, Японии и США.

---

ФЭП представляет собой устройство (рис.3.10), действие которого основано на фотоэффекте – возникновении под воздействием солнечного излучения ЭДС (электродвижущей силы) в полупроводниковом материале [17]. На границу между n- и p-полупроводниками падает световой поток, и в результате этого воздействия в обоих полупроводниках образуются пары «электрон-дырка». Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются – электроны в n-полупроводник, дырки – в p-полупроводник. Таким образом, образуется дополнительная разность потенциалов.

В настоящее время главными полупроводниковыми материалами для создания ФЭП являются кремний и германий. В чистом виде (без примесей) кремний и германий – диэлектрики. Но при добавке небольших количеств других веществ их можно превратить в полупроводники n- или p-вида.

Коэффициент полезного действия ФЭП находится в пределах 25 %. Но основной причиной пока еще относительно малого применения ФЭП является его высокая стоимость, составляющая около 2500 долларов США за 1 кВт установленной мощности.


Рис. 3.10. - Схема элемента солнечной батареи:

1 – поверхностный слой – кремний с проводимостью n-типа;

2 – монокристаллический кремний проводимостью р-типа;

3, 4 – электроды
Второй способ преобразования солнечной энергии в электрическую основан на создании паросиловых установок (рис.3.11) с паровым котлом, нагреваемым гелиоконцентраторами [1].


Рис. 3.11. Принципиальная схема солнечной паросиловой установки
Зеркала гелиоконцентратора с целью их эффективного использования должны быть подвижными. Другими словами, каждое зеркало в зависимости от географического расположения солнечного котла, времени года и времени суток должно занимать соответствующую позицию. Поэтому одним из недостатков солнечной паросиловой установки является большой расход энергии на управление гелиоконцентраторами.

В Советском Союзе (в Крыму) была построена солнечная паросиловая электростанция башенного типа высотой 70 м, мощностью 5 МВт. Параметры этой паросиловой установки: давление - 4 МПа, температура – 250 ^оС, КПД - 15 %. Она занимала площадь в 15 га, на которых было установлено 1600 гелиоконцентраторов площадью 25 м

---

². В настоящее время эта станция демонтирована.
К недостаткам всех солнечных энергетических установок следует отнести: высокую стоимость, низкий КПД, необходимость отчуждения больших площадей, зависимость отдачи мощности от времени суток и года, места их установки и погодных условий [17].

---

3.2.5. Особенности создания приливных электростанций

Морские приливы и отливы являются следствием воздействия на Землю (на ее водную сферу - океаны и моря) лунного (главным образом) и солнечного притя­жения, а также воздействия центробежных сил, образующихся в результате вращения систем Земля – Луна и Земля – Солнце [17].

Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Максимальное поднятие воды, именуемое полной водой, над минимальным опусканием уровня воды – малая вода, составляет в открытом океане около 1 м. Но в зависимости от очертания береговой линии, а также географической широты, глубины моря вблизи суши и некоторых других факторов величина прилива может быть гораздо больше. Максимальная величина разности уровней моря во время прилива и отлива обнаружена в заливе Фанди Атлантического побережья Канады, где она достигает 18 м. Отмечены высокие уровни прилива в некоторых местах Ла-Манша (до 15 м), Охотского моря (до 13 м), Белого моря (до 10 м), Баренцева моря (до 10 м). Считается, что для создания приливной электростанции разность уровней во время прилива и отлива должна быть не менее 10 м. Таких мест на земном шаре очень мало – менее 30. Поэтому приливные электростанции не могут занять сколько-нибудь заметного места в энергетике. Их общая выработка вместе со всеми волновыми и океаническими установками в 2008 г. составляла около 600 млрд. кВтч.

Схема устройства приливной электростанции показана на рис.3.12 [17]. Очевидно, что для строительства станции должно быть выбрано подходящее место с возможно большей разностью уровней воды во время прилива и отлива. На рисунке: h – максимальная разность уровней для избранного места расположения станции. Для создания приливной электростанции сооружа­ется плотина, образующая необходимый бассейн. В теле плотины устанавливается гидротурбогенератор, который (в целях большей эффективности работы электростанции) должен быть «обратимым», то есть действовать по своему прямому назначению при протекании через него воды в обе стороны.



Рис. 3.12. - Упрощенная схема ПЭС

---