CC BY
551
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311
С. Н. Саликеева, Ф. Т. Галеева
ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ
Ключевые слова: альтернативная энергетика, ветрогенератор, гелиоэнергетика, солнечный коллектор, охрана
окружающей среды.
Рассмотрены основные методы получения альтернативной энергии в контексте возможности их использования в качестве источников энергии энергонезависимых зданий и сооружений. Приведены данные по стоимости выработки электроэнергии различными источниками альтернативной энергии. Приводятся рекомендации по совместному использованию источников альтернативной энергии.
Keywords: alternative energy, wind generator, solar power, solar collector, environment.
Basic methods of alternative energy obtaining in the context of their possibility as sources of volatile energy buildings are considerated in this article. Cost of electricity generation by various sources of alternative energy datas are shown. Recommendations are presented for the sharing of alternative energy sources.
На фоне снижения мировых запасов невозобновляемых источников энергии актуальным является поиск новых и внедрение известных альтернативных источников получения энергии. При современном уровне энергопотребления доступных или рентабельных невозобновляемых источников энергии осталось по разным источникам приблизительно от 50 до 100 лет. Наряду с поиском альтернативных источников энергии сегодня на первый план выходит экологическая безопасность применяемых видов энергии [1, 2, 3].
Данная работа посвящена обзору методов получения альтернативной энергии (электрической, тепловой и в виде био- или иного топлива) малой мощности (до 10 кВт) для бытовых нужд в качестве источника электроэнергии энергонезависимых зданий и сооружений.
Среди основных альтернативных способов получения энергии, не претендуя на полный обзор методов, можно выделить следующие:
- ветроэнергетика;
- гелиоэнергетика;
- гидроэнергетика;
- биоэнергетика.
Ветроэнергетика - отрасль энергетики, основанная на преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую [4]. Преобразование энергии, как правило, осуществляется различными конструкциями ветрогенераторов. На сегодняшний день - это один наиболее распространенных источников альтернативной энергии, по разным источникам ее доля в общемировом производстве электроэнергии может достигать 2 %. В некоторых странах европейского союза доля энергии, вырабатываемой при помощи ветрогенераторов, составляет более 40 %.
Основным условием работы ветрогенератора является наличие воздушных масс движущихся со скорость более 3 м/с, поэтому, как правило, область их расположения - это прибрежные зоны,
возвышенности, холмы, шельфы (расположенные в прибрежной зоне). Современные ветрогенераторы могут достигать высоты более 100 м, а диаметр лопастей нескольких десятков метров. Выходная мощность при номинальных режимах работы (скорость ветра 10 м/с) составляет до 10 МВт.
По конструкции ветрогенераторы можно подразделить на горизонтальные и вертикальные. Второй тип более перспективен, поскольку более бесшумный и менее требователен к скорости ветровых масс (от 1 м/с), однако по историческим причинам большее распространение получили горизонтальные конструкции ветрогенераторов. Срок службы вертикальных ветрогенераторов может достигать 20 лет [5].
Себестоимость электроэнергии полученной при помощи ветрогенераторов сопоставима со стоимостью электроэнергии полученной при помощи традиционной энергетики 1,5-2 р./(кВт*ч).
Среди недостатков ветрогенераторов также следует отметить относительно высокий уровень шума (до 100 дБ около ротора ветрогенератора, и не более 45 дБ на расстоянии 300 м), большие вибрационные нагрузки. По этой причине ветрогенераторы не рекомендуется устанавливать на расстоянии менее 300 м от жилых помещений.
Еще один из способов использования энергии ветра, является преобразование ее в тепловую для обогрева зданий и сооружений, при таком подходе значительно упрощается схема подключения ветрогенератора и его управление.
Структура ветряной установки включает в себя генератор, мачту на которой располагается генератор, лопасти, аккумуляторы, инвертор.
Ветрогенераторы малой мощности до 10 кВт чаще всего бывают автономными, т.е. без подключения к энергосетям.
Гелиоэнергетика (ЬеНоз - солнце греч.) -получение тепловой и электрической энергии путем преобразования энергии солнца различными
способами. Мощность солнечного излучения на территории европейских стран в среднем составляет 100 Вт/кв.м.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические
преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43,5 % [2].
Физический принцип работы ФЭП основан на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения [6].
Несмотря на бытующее заблуждение, использование фотоэлементов возможно как в солнечную погоду, так и в пасмурную.
Достоинством данного метода является его полная экологичность, недостаток - малая мощность на единицу поверхности фотоэлемента и высокая цена.
Стоимость вырабатываемой ФЭП
электроэнергии составляет ~ 6-8 р/(кВт*ч), что примерно в 3-4 раза выше стоимости электроэнергии, получаемой в результате сгорания органических топлив.
Еще один способ использования энергии солнца - это нагревание теплоносителя для обогрева помещений посредством солнечного излучения. Такие устройства называются солнечными коллекторами.
Эту тепловую энергию можно также использования для получения электроэнергии посредством ее использования в различного рода тепловых машинах. Солнечные коллекторы могут быть различного типа: плоские, трубчатые вакуумные, коллекторы концентраторы, параболические концентраторы и т.д. Стоимость вырабатываемой энергии может доходить до 5 р/(кВт*ч). Этот тип преобразователя солнечной энергии способен нагревать теплоноситель до температуры кипения даже в зимнее время при температуре воздуха ниже минус 30° С.
Гидроэнергетика использует кинетическую энергию движущихся водных масс (приливы, волны течения, водопады, использование тепловой энергии океанов) для выработки энергии. Условно альтернативную гидроэнергетику можно подразделить на приливные и волновые электростанции, мини- и микроГЭС, водопадные электростанции.
Приливные гидроэлектростанции на сегодняшний день нашли наибольшее применение, строятся они в областях с большими приливными течениями, которые могут составлять до 13 метров в высоту. Энергию приливов можно использовать при помощи установки плотин, что экологически не очень безопасно, а также установкой приливных низкооборотистых турбин на участках морского дна с приливными течениями без использования плотин. Такие турбины практически не приносят вреда для морских флоры и фауны. Мощность приливных
электростанций на сегодняшний день может составлять до нескольких сотен МВт.
Использование энергии волн несколько сложнее и позволяет получать более дорогостоящую электроэнергию. Волновая гидроэлектростанция представляет из себя неподвижную платформу, прикрепленную к морскому дну, к которой на рычагах (траверсах) закреплены большие поплавки диаметром до нескольких метров, которые перемещаются на морских волнах вверх и вниз приводя в движение через гидравлические цилиндры генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Несмотря на относительно небольшие количества вырабатываемой таким образом на сегодняшний день электроэнергии, суммарный энергетический потенциал этого вида возобновляемого энергоресурса практически безграничен.
Мини- и микроГЭС позволяют вырабатывать электроэнергию в небольших количествах, до нескольких десятков кВт, используя кинетическую энергии водных масс в ручьях, малых реках, водопадах. При перепаде высот от 1,3 м и расходе воды 1 м3/с микроГЭС по принципу водоворота позволяет получать до 10 кВт*ч электрической энергии. Состоят они из генераторов с крыльчаткой особой формы, позволяющей максимально использовать кинетическую энергию водных масс [7].
Главное преимущество малой
гидроэнергетики энергии заключается в том, что она не зависит от погодных условий и в любое время года стабильно обеспечивает выработку электроэнергии [8].
Недостатком данного вида альтернативной энергетики является влияние на скорость вращения нашей планеты, это влияние по расчетам составляет порядка 10-9 с замедления периода вращения планеты, что на 5 порядков ниже влияния приливных течений.
Биоэнергетика
На сегодняшний день уже достаточно широко используются технологии получения электроэнергии путем переработки отходов животнодчества, существуют установки, в том числе и в поволжском регионе, мощностью от 40 кВт до 5 МВт. Энергетическая эффективность 1 куб.м биогаза (55-70 % - СН4, 45-30 % - С02) может составлять до 6 кВт*ч, причем при ее использовании, для получения электроэнергии двигателя внутреннего сгорания, 45 % энергии выделяется в виде электроэнергии и 55 % в виде тепловой энергии. Выход биогаза составляет от 20 (навоз крупного рогатого скота) до 600 (меласса) в редких случаях 1300 куб.м. на 1 тонну субстракта [9].
Еще одно направление - получение готового биотоплива, к примеру биометана, аналога природного газа, из отходов переработки зерновых культур путем очистки биогаза от СО2.
Следующий шаг развития этой технологии связан с переработкой бытового мусора, в этом
случае решаются две очень важные задачи, получение электроэнергии и безопасная утилизация бытового и промышленного мусора, т.е. улучшение экологической ситуации [10].
Как правило, выше приведенные установки имеют мощность более 40-100 кВт*ч и создаются на базе производств, в результате деятельности которых, выделяется большое количество энергоэффективной биомассы, а именно животноводческие производства, производство продуктов питания и т.д.
Общие проблемы практически всех способов получения альтернативной энергии заключаются в следующем:
- как правило, это нерегулируемые источники энергии, т. е. выработка электроэнергии зависит от интенсивности светового излучения, погодных условий, времени года, температуры окружающей среды, скорости и направления ветра и т.д., что значительно осложняет их интеграцию в общие электрические сети и удорожает стоимость вырабатываемой альтернативной энергии;
- необходимость приведения получаемой электроэнергии к промышленному стандарту 220 В, 50 Гц, для чего используются дорогостоящие инверторы (преобразователи электрических параметров получаемой энергии), их стоимость может достигать до 50 % от стоимости всего оборудования для получения альтернативной энергии, при этом при их работе на теплообразование расходуется большая часть электроэнергии;
- необходимость использования
аккумуляторных батарей (стоимость которых может достигать до 25 % от общей стоимости всего комплекса) в связи с необходимостью аккумулировать электроэнергию при отсутствии выработки альтернативной энергии в автономных системах.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что универсального способа получения альтернативной энергии не существует. Необходимо использовать несколько способов, сочетая их достоинства и недостатки. Примером такого удачного сочетания для получения небольшого количества электроэнергии может служить комплекс, состоящий из ФЭП и ветрогенерата малой мощности, работающих в связке с инвертором и аккумуляторными батареями. На сегодня такой комплекс имеет достаточно высокую стоимость, однако в перспективе с увеличением стоимости невозобновляемых энергоресурсов, сможет
стать реальной альтернативой традиционным источникам энергии.
В качестве источников альтернативной энергии для снабжения электричеством энергонезависимых зданий и сооружений, наиболее подходящими, являются солнечная энергетика, ветроэнергетика и малая гидроэнергетика, остальные виды альтернативной энергетики наиболее эффективны при производстве больших количеств электроэнергии.
Литература
1. Нужна ли России альтернативная энергетика?
[Электронный ресурс] / Energi Fresh. Научнопопулярный портал, 2009. Режим доступа:
http://www.energy-fresh.ru/solarenergy/analitics/?id=1252, свободный
2. Рынок альтернативной энергетики. Аналитический обзор (отчет) Демонстрационная версия РБК [Электронный ресурс] / РосБизнесКонсалтинг, 2010. -Режим доступа http://marketing.rbc.ru/research/ 562949977031667.shtml, свободный.
3. Бугарчева Е.А. Научные исследования в области энергосберегающих технологий как объект философской рефлексии в постиндустриальном обществе// Вестник Казан. технол. ун-та 2010 - № 9. -C.857-859.
4. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] / Википедиа. Свободная энциклопедиа. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/
альтернативная_энергетика, свободный.
5. Краткое руководство по ветроэнергетике
[Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.luna1.ru/page/page54.html, свободный
6. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев
В.Д. Фотоэлектрическое преобразование
концентрированного солнечного излучения — Л.: Наука, 1989. — 310 с. — ISBN 5-02-024384-1.
7. Гидротурбина - Проточная - Осбергер [Электронный
ресурс] / CINK Hydro - Energy k. s, 2012. - Режим доступа: http://www.cink-hydro-energy.com/ru/turbina-
ossberger, свободный.
8. Мини-ГЭС [Электронный ресурс] / ООО «АЭнерджи».
- Режим доступа: http://aenergy.ru/category /energydevice/gidro, свободный.
9. Выходы биогаза [Электронный ресурс] / Zorg Biogas. -Режим доступа: http://zorgbiogas.ru/biogas-plants/biogas-out?lang=ru, свободный
10. Солодова Н.Л., Терентьева Н.А. Немного о биотопливах// Вестник Казан. технол. ун-та 2010 - № 11.
- C.348-358.
svetmt@rambler. ru;
© С. Н. Саликеева - ст. препод. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, Ф. Т. Г алеева - ст. препод. той же кафедры.
