ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 288
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
10 3. Альтернативна гідроенергетика. Припливні електростанції, хвильові електростанції, міні-та мікро-ГЕС (встановлюються в основному на малих річках), водоспадні електростанції.
4. Геотермальна енергетика. Теплові електростанції і (принцип відбору високотемпературних ґрунтових вод та використання їх у циклі). Грунтові теплообмінники (принцип відбору тепла грунту по засобом теплообміну)
5. Космічна енергетика. Отримання електроенергії у фотоелектричних елементах, розташованих на орбіті
Землі.
Електроенергія буде передаватися на землю у формі мікрохвильового випромінювання.
6. Воднева енергетика і сірководнева енергетика. Водневі двигуни (для отримання механічної енергії). Паливні елементи (для отримання електрики).
7. Розподілене виробництво енергії. Нова тенденція в енергетиці, пов'язана з виробництвом теплової та електричної енергії.
8. Грозова енергетика. Спосіб отримання енергії шляхом затримання і перенаправлення енергії блискавок в електромережу.
9. М’язова сила людини. Хоча м'язова сила є найдавнішим джерелом енергії, і людина завжди прагнула замінити її чимось іншим, в даний час її значення зростає разом із зростанням використання велосипеда.
10. Біопаливо. Отримання біодизеля, метану і синтез-газу, біогазу.
Американський еколог, засновник
Інституту всесвітнього спостереження (Worldwatch Institute), президент Інституту політики Землі,
Л. Браун зазначає, що для запобігання знищенню довкілля, яке негативно позначається на економіці кожної країни, доцільно використовувати замість викопного палива інші джерела енергії [128, 129]. Дослідження авторського колективу [36, 37] свідчать про те, що вирішенням цієї проблеми є використання альтернативних джерел енергії. Зрозуміло, що енергетична безпека країни загалом є одним із вирішальних чинників її конкурентоспроможності на міжнародному фінансово-економічному рівні.
Зважаючи на це, а також враховуючи необхідність збереження екологічної рівноваги, найважливішим завданням є пошук нових ефективних, а головне, відновлювальних джерел енергії. Одним із найперспективніших із цього погляду джерел відновлювальної енергії є енергія біомаси. Енергію відновлюваних джерел, зокрема біомаси, активно використовують у більшості розвинутих країн світу. В окремих країнах частка біомаси в загальному споживанні первинних енергоносіїв значно перевищує середньоєвропейську й, наприклад, у Фінляндії становить більше ніж 25 %,
11
у Швеції – 20 %. За умови недостатнього забезпечення України власними ресурсами (нафта, газ) саме рослинні відходи стають одним із найбільш доступних і перспективних альтернативних джерел енергоресурсів.
Найефективнішим може виявитися комбіноване використання біомаси рослин.
Пряме використання біомаси для одержання енергії є більш екологічно безпечним, ніж, наприклад, вугілля. При спалюванні біомаси виділяється менше ніж 0,2% сірки і від 3 до 5% золи в порівнянні з 2-3 і
10-15% для вугілля, решта переважно вуглекислий газ. Крім того, зола біомаси може повернутися в грунт, що забезпечує замкнутість кругообігу біогенних елементів. З точки зору обліку вуглекислого газу біомаса є практично нейтральною, тобто в період росту рослини поглинають сонячну енергію, воду, вуглекислий газ, виділяють кисень і утворюють вуглець в процесі фотосинтезу; під час спалювання процес йде у зворотному напрямку: кисень поглинається, а теплота, вода і вуглекислий газ виділяються. У цьому процесі кількість поглиненого і виділеного вуглекислого газу абсолютно однакова. В процесі утворення 1 кг сухої біомаси (деревини) поглинається 1,83кг СО
2
і стільки ж виділяється при її розкладанні (окисленні, горінні). Що стосується нафти, вугілля і газу, то спостерігається та ж закономірність для СО
2
, але час, необхідний для відновлення балансу СО
2
, досягає кілька мільйонів років. Середня теплота прямого згоряння біомаси становить 7-9 МДж/кг
В даний час визнано, що всі технології енергетичного використання біомаси не збільшують емісію СО
2
, а запобігають її в обсязі вироблюваної електричної і теплової енергії.
При повітряній газифікації виходить генераторний газ з теплотою згоряння близько 4-6 МДж/м
3
, газифікація з використанням кисню дає газ вищої якості з теплотою згоряння 10-18 МДж/м3. Газ, який отримують в результаті газифікації деревини при повітряному окислюванні, містить: азоту – 50-54%, оксиду вуглецю – 20-22%, водню – 12-15%, діоксиду вуглецю – 9-12%, метану – 2-3%. Ще більший ефект виходить при газифікації в киплячому шарі, в циркулюючому киплячому шарі, в потоці, газифікації в двох реакторах киплячого шару та ін.
При піролізі біомаси утворюються несконденсовані гази СО, СО
2
, Н
2
,
СН
4
, С
2
Н
4
, вміст яких залежить від виду біомаси і режиму термічної обробки. Вихід несконденсованого піролізного газу може досягати 70% сухої біомаси, а теплота згоряння – 12,5–13,3 МДж/м 3. До складу рідких
12
продуктів піролізу входять різні речовини: кислоти, спирти, ацетон, формальдегід, вода та ін. Він залежить від виду і якості біомаси та умов процесу; теплота згоряння рідких продуктів досягає 20-25 МДж/кг
Коксовий залишок піролізу має близько 95-97% вуглецю, а вихід його може досягати 25-30% сухої біомаси, теплотворна здатність залишку становить до 35 МДж/кг.
При метановому бродінні отриманий біогаз містить 60-70% метану,
30-40% вуглекислого газу, невелика кількість сірководню, а також суміш водню, аміаку та оксиду азоту, теплота згоряння біомаси становить
22-26 МДж/кг. Залишок, що утворюється в процесі метанового бродіння, містить значну кількість поживних речовин (особливо азоту) і може бути використаний як чудове добриво.
Виробництво і використання рідкого палива з біомаси не тільки сприяє підвищенню енергетичної безпеки держави, але й поліпшенню екологічної ситуації.
Паливний етанол, отриманий з біомаси, як добавка до бензину дозволяє підвищити октанове число і поліпшити експлуатаційні суміші, при вмісті етанолу в бензині до 15% не потрібні зміни конструкцій сучасних двигунів внутрішнього згоряння. Під час роботи на суміші бензину з етанолом вміст СО
2
у вихлопних газах зменшується на 25%, а вуглеводнів і NОх – на 5%, що є особливо важливим для зниження забруднення навколишнього середовища у великих містах зі значним використанням автомобільного транспорту.
Біодизельне паливо (біодизель) – продукт переробки рослинних олій
(ріпакової, соняшникової олії, пальмової). Біодизельне паливо для автомобільного транспорту на основі ріпакової олії має такі переваги у порівнянні з паливом з нафти:
• не має впливу на парниковий ефект, бо ріпак, як і вся біомаса, нейтральний щодо СО2 ;
• утворює меншу концентрацію шкідливих речовин у вихлопних газах
(концентрація СО, вуглеводнів і твердих частинок зменшується на
25-50%, задимленість газів – вдвічі);
• не містить канцерогенних речовин (поліциклічних ароматичних вуглеводів, особливо бензпірену);
• для згоряння вимагає меншу кількість повітря;
• має високу ступінь біологічного розкладання (за 21 день його біологічне розкладання становить близько 90%).
13
У той же час недоліками біодизельного палива в порівнянні з паливом з нафти є менша теплота згоряння, що призводить до збільшення витрати палива і зниження потужності двигуна на 16%; велика в'язкість ріпакової олії погіршує розпилювання, сумішоутворення і згоряння в дизелі; необхідність частої заміни масляних фільтрів та проведення регламентних робіт на форсунках внаслідок сильного закоксовування отворів розпилювачів.
Збільшення виробництва біомаси покращує мікроклімат завдяки використанню води і рециркуляційних механізмів. Виробництво і застосування компостів з біомаси покращує структуру грунту і знижує забруднення вод.
Ряд технологій отримання біогазу на звалищах, з відходів тваринництва, з відходів харчової промисловості, по суті
є природоохоронними, так як запобігають забрудненню води, грунту і повітря цими відходами.
Питанням розвитку альтернативних джерел енергії присвячено багато наукових праць [102–136]. У ґрунтово-кліматичних умовах України високим накопиченням біомаси характеризується практично всі рослини.
Останнім часом джерело біомаси для енергетичних потреб науковці пропонують використовувати морські водорості (макрофіти), собівартість енергії біомаси яких порівняно невисока.
14
РОЗДІЛ
2
ОСНОВНІ
ТЕХНОЛОГІЇ
ВІДНОВЛЮВАНОЇ
ЕНЕРГЕТИКИ
2.1 Вітроенергетика
2.1.1 Стисла характеристика розвитку вітроенергетичної галузі
Вітроенергетика – галузь альтернативної енергетики, яка базується на перетворенні кінетичної енергії вітру в електричну енергію.
Джерелом для вітроенергетики є сонце, оскільки саме воно впливає на утворення вітру. Внаслідок неоднорідності поверхні землі та через те що кут падіння світла в різних широтах в різні пори року неоднаковий атмосфера землі вбирає сонячну радіацію нерівномірно. Щільність повітря змінюється та піднімається догори, в атмосферу, утворюючи потоки. Там, де повітря нагрівається більше, ці потоки піднімаються вище та зосереджуються у зонах низького тиску. Холодне повітря піднімається нижче, утворюючи зони високого тиску. Різниця атмосферного тиску змушує повітря пересуватися від зони високого до зони низького тиску з пропорційною швидкістю. Цей рух повітря і є тим явищем, яке ми називаємо вітром.
Щоб використати вітрову енергію, найоптимальніше враховувати добове та сезонне змінювання вітру, його швидкості залежно від висоти розташування над поверхнею землі, кількість поривів вітру за короткі відрізки часу, а також статистичні дані за певний період, наприклад за останні 20 років.
Енергію вітру людство використовує здавна. Одним з найперших способів використання вітру було вітрило, яке було винайдено в приблизно п’ятому тис. до н. е. У І ст. до н. е. давньогрецький учений
Герон Александрійський винайшов вітряк, що керував органом. Вітряні млини для переробки зерна винайдені ще в епоху середньовіччя.
Уважають, що перші вітряки були побудовані в Сістані, що розташовувався між сучасним Іраном та Афганістаном, приблизно між
ІX – VII ст. до н. е. Вони мали вертикальну вісь, від шести до дванадцяти крил з полотна або очерету та використовувалися як млини та помпи для води.
В останні роки людство все більше використовує енергію вітру для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужності. Вони
15
встановлюються на місцевості, де дмуть часті й сильні вітри. Кількість і якість таких двигунів зростає щорічно, налагоджене їхнє серійне виробництво.
Місцевості, придатні для розміщення вітроагрегатів, поділяються на декілька класів (згідно з типами рельєфу). Такий поділ (табл. 2.1) демонструє можливості забезпечення енергією вітроустановок в умовних одиницях (10 балів – відсутність нерівностей, тобто нульовий клас поверхні), згідно з методикою європейської практики будівництва вітростанцій.
Таблиця 2.1 – Класифікація вітрового потенціалу місцевостей за особливостями нерівностей
Клас нерівності
Типографія місцевості
Енергопотенціал, кВт∙год / м
2
∙рік
1
Відкрита місцевість без високої рослинності та лісів
6,8 2
Окремі будинки, відстань між ними – 1000 м
4,6 3
Забудований район, ліси, пересічена місцевість
2,4
Оцінка енергозабезпеченості в балах залежно від особливостей місцевості не завжди однакова. Відомо, що після забудови місцевості або після насадження там дерев аеродинаміка цієї місцевості різко змінюється: збільшується кількість вітрового часу й зростає сила вітру.
Те саме стосується й гірської місцевості. Незважаючи на значні захаращення в окремих місцях, пересіченість місцевості може утворювати щось подібне до каналів, у яких швидкість вітру набагато більша, ніж на відкритій місцевості.
Для кожної місцевості зміна швидкості вітру за висотою (епюра швидкостей вітру) має характерний вигляд (рис. 2.1).
Із рисунка 2.1 зрозуміло, що крім середньорічної швидкості кожна місцевість має свій профіль швидкостей, який обумовлює величину швидкісного напору. Із огляду на це для ефективного уловлювання вітру вираховують оптимальну висоту розташування вітроагрегату над рівнем землі. Як і для середньорічної швидкості, попередньо досліджують ефективну висоту розташування вітроагрегату за різних вітрових навантажень і потужностей самого вітроагрегату.
16
Рисунок 2.1 – Епюра швидкостей вітру
Використовують дві принципово різні конструкції вітроустановок – з горизонтальною і вертикальною віссю обертання. Поширення набули вітроустановки з горизонтальною віссю (рис. 2.2).
Рисунок 2.2 – Принципова схема вітроустановки
Основними елементами вітроенергетичних установок
є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор
і башта.
Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун.
Унаслідок спеціальної конфігурації вітроприймального пристрою в
17
повітряному потоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент. Залежно від потужності генератора вітроустановки поділяють на класи. Їхні параметри та призначення залежно від зазначених параметрів наведено в таблиці 2.2. Оскільки вітер може змінювати свою силу та напрям, вітрові установки обладнують спеціальними пристроями контролю та безпеки. Ці пристрої містять механізми розвертання осі обертання за вітром, нахилені відносно землі лопаті у разі досягнення критичної швидкості вітру; системи автоматичного контролю потужності й аварійного відімкнення для установок великої потужності.
Вітроенергетичні установки з вертикальною віссю обертання мають переваги щодо установок з горизонтальною віссю а саме: зникає необхідність використання пристроїв орієнтованих на вітер, спрощується конструкція та зменшуються гіроскопічні навантаження, які зумовлюють додаткові напруження в лопатях, системі передач та інших елементах установки.
Таблиця 2.2 – Класифікація вітроустановок
Клас установки
Потужність, кВт
Діаметр колеса, м
Кількість лопатей
Призначення
Малої потужності
15–50 3–10 3–2
Зарядження акумуляторів, насоси, побутові потреби
Середньої потужності
100–600 25–44 3–2
Енергетика
Великої потужності
1000–4000
> 45 2
Енергетика
Різновидом вітроустановок з вертикальною віссю є так звана вітрова гребля, у якій сконцентрований повітряний потік спрямовується на установку за допомогою напрямлювачів у вигляді лісосмуг, штучних перегородок у вигляді панелей, надувних конструкцій, соломʼяних блоків тощо. Схему вітрової греблі наведено на рисунку 2.3.
Термін окупності вітроенергетичної установки, залежно від місцевості, забезпеченості комунікаціями, потужності установки тощо, становить від 3 до 8 років.
Питомі капітальні витрати для станцій малої потужності становлять
800–1000 ум. од. за 1 кВт встановленої потужності і зменшуються зі збільшенням потужності установки. Отже, капітальні витрати на