Интересны примеры использования солнечной энергии в разных странах

В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в тепловой энергии на 40–50% за счет использования энергии Солнца.

В Германии (под Дюссельдорфом) проводились испытания солнечной водонагревательной установки площадью коллекторов 65 м². Эксплуатация установки показала, что средняя экономия тепла, расходуемого на обогрев, составила 60%, а в летний период – 80-90%. Для условий Германии семья из 4 человек может обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6–9 м².

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55-65%, в зимний – на 30%.

В Австрии установлено, что для обеспечения 80% теплой водой в жилых сельских домах на 1 человека требуется установка солнечных коллекторов с поверхностью 2–3 м² и емкостью бака для воды 100–150 л. Установка площадью 25 м² с емкостью для нагретой воды на 1000–1500 л обеспечивает теплой водой 12 человек или небольшой сельский двор.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка энергии солнечными энергоустановками составляет соответственно 870000, 290000, 255200, 174000 МВт ꞏ ч в год.

В целом по Европейскому союзу вырабатывается 185600 МВт·ч в год (по данным 1992 г.).

Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают: США – 10 млн. м², Япония – 8 млн. м², Израиль – 1,7 млн. м², Австралия – 1,2 млн. м². В настоящее время 1 м² солнечного коллектора вырабатывает электрической энергий:

· 4,86–6,48 кВт·ч сутки;

· 1070–1426 кВт·ч в год.

· Нагревает воды в сутки:

· 420–360 л (при 30°С);

· 210–280 л (при 40°С);

· 130–175 л (при 50°С);

· 90–120 л (при 60°С).

Экономит в год:

· электроэнергии – 1070-1426 кВт·ч;

· условного топлива – 0,14-0,19 т;

· природного газа – 110-145 нм³;

· угля – 0,18-0,24 т;

· древесного топлива – 0,95-1,26 т.

Площадь солнечных коллекторов 2 – 6 млн. м² обеспечивает выработку 3,2 – 8,6 млрд. кВт·ч энергии и экономит 0,42 – 1,14 млн. т.у.т. в год.

Биоэнергетика – это энергетика, основанная на использовании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев) и получение биогаза. Биогаз – смесь горючих газов (примерный состав: метан – 55-65%, углекислый газ – 35-45%, примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода), образующаяся в процессе биологического разложения биомассы или органических бытовых расходов. Способы промышленного получения биогаза известны с конца прошлого века (1885 г.). В мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза.

Биомасса – наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Под термином «биомасса» подразумеваются любые материалы биологического происхождения, продукты жизнедеятельности и отходы органического происхождения. Биомасса будет на Земле, пока на ней существует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десять раз больше годового потребления энергии всем человечеством на современном этапе.

Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на несколько основных групп:

1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).

2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).

3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).

4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

Переработка биомассы в топливо осуществляется по трем направлениям.

Первое: биоконверсия, или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.). В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ. Так по научному называется компостирование и биоподогрев, о чем знает каждый огородник.

Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твердых органических веществ (дерева, торфа, угля) в «синтез-газ», метанол, искусственный бензин, древесный уголь.

Третье: сжигание отходов в котлах и печах специальных конструкций. В мире сотни миллионов тонн таких отходов сжигаются с регенерацией энергии. Прессованные брикеты из бумаги, картона, древесины, полимеров по теплотворной способности сравнимы с бурым углем.

Малая гидроэнергетика. В настоящее время признанных единых критериев причисления ГЭС к категории малых гидростанций не существует. У нас принято считать малыми гидростанции мощностью от 0,1 до 30 МВт, при этом введено ограничение по диаметру рабочего колеса гидротурбины до 2 м и по единичной мощности гидроагрегата – до 10 МВт. ГЭС установленной мощностью менее 0,1 МВт выделены в категории микро-ГЭС.

Малая гидроэнергетика в мире в настоящее время переживает третий виток в истории своего развития. Строительство первых ГЭС началось еще в прошлом веке, когда они предназначались для энергоснабжения отдельных заводов и поселков. Затем темпы их строительства замедлились из-за конкуренции небольших тепловых электростанций. Второй этап массового строительства малых ГЭС пришелся на конец 40-х – начало 50-х гг., когда тысячи малых гидростанций строились колхозами, совхозами, предприятиями и государством. В 70-80-х гг. сотни и тысячи малых ГЭС были выведены из эксплуатации либо законсервированы, либо ликвидированы из-за быстрого развития большой энергетики на базе крупных тепловых гидравлических и атомных станций. На третьем витке возрождение малых ГЭС, естественно, происходит на новом техническом уровне основного энергетического оборудования, степени автоматизации и компьютеризации.

Геотермальная энергетика – получение энергии от внутреннего тепла Земли. Различают естественную и искусственную геотермальную энергию – от природных термальных источников и от закачки в недра Земли воды, других жидкостей или газообразных веществ («сухая» и «мокрая» геотермальная энергетика). Данный вид энергетики широко применяется для бытовых целей и отопления теплиц. Имеются геотермальные ТЭС. Недостаток – токсичность термальных вод и химическая агрессивность жидкостей и газов.

Космическая энергетика – получение солнечной энергии на специальных геостационарных спутниках Земли с узконаправленной передачей энергии на наземные приемники.

На этих спутниках солнечная энергия трансформируется в электрическую и в виде электромагнитного луча сверхвысокой частоты передается на приемные станции на Земле, где преобразуется в электрическую энергию. Мощность одной орбитальной станции может составить от 3000 до 15000 МВт.

Морская энергетика базируется на энергии приливов и отливов (Кислогубская ЭС на Кольском полуострове), морских течений и разности температур в различных слоях морской воды. Иногда к ней относят волновую энергетику. Пока морская энергетика малорентабельна из-за разрушающего воздействия на оборудование морской воды. Приливная энергетика рентабельна па побережьях морей с исключительно высокими приливами.

Низкотемпературная энергетика – получение энергии с использованием низкотемпературного тепла Земли, воды и воздуха, вернее разности в температурах их различных слоев. Промышленное получение энергии с использованием разности температур на поверхности и в глубинах океана пока не выходит за рамки опытных установок.

Холодная» энергетика – способы получения энергоносителей путем физико-химических процессов, идущих при низких температурах и сходных с происходящими в растениях. Например, разложение воды на асимметричных мембранах под воздействием солнечного света. Молекула воды распадается на водород и кислород, скапливающиеся по разные стороны этой мембраны. Водород затем используют как энергоноситель. КПД таких мембран в последние годы удалось заметно повысить, а цену – понизить. Вероятно, это перспективный путь. Предполагается, что водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленности, сельскохозяйственном производстве. Сжигание водорода не дает вредных выбросов, но он взрывоопасен.

Управляемая термоядерная реакция. Физики работают над освоением управляемой термоядерной реакции синтеза ядер тяжелого водорода с образованием гелия. При таком соединении выделяется громадное количество энергии, гораздо больше, чем при делении ядер урана.

Доказано, что основная доля энергии Солнца и звезд выделяется именно при синтезе легких элементов. Если удастся осуществить управляемую реакцию синтеза, появится неограниченный источник энергии.

Ученые уверены, что в начале следующего тысячелетия получение энергии за счет термоядерного синтеза превратится из чисто теоретической концепции в обыденную реальность.

Весьма перспективными являются энергетические установки, преобразующие одни виды энергии в другие нетрадиционными способами с высоким КПД.

Тепловую энергию в электрическую преобразует магнитогидродинамический генератор (МГД), который относится к перспективным устройствам (рис. 2.5).

В настоящее время имеется практика эксплуатации магнитогидродинамичекой (МГД) установки, КПД которой превышает 45%. Чтобы понять принцип действия МГД генераторов, следует вспомнить два положения физики:

‒ при высоких температурах (2500 – 3000 ^оС) газы ионизируются, образуется так называемая плазма;

‒ электрический ток – это направленное движение электронов в металлах или ионов в жидкостях и газах.

 

Топливо

Рисунок 4.1. Схема МГД-генератора.

1 - камера сгорания; 2 - МГД-канал; 3 - электроды; 4 - магнитная система

 

Следовательно, движение плазмы представляет собой электрический ток. Для разделения положительных и отрицательных ионов плазма должна пересекать магнитное поле, в котором положительные ионы отклоняются в одну сторону, а отрицательные – в другую. Концентрация положительных и отрицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный и отрицательный потенциал; пластины становятся источником электродвижущей силы (ЭДС). В МГД установках в качестве энергоносителя используется низкотемпературная плазма (около 2700 ^оС), образующаяся при сгорании органического топлива – природного газа или твердого топлива.

Большой интерес уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую – созданию топливных элементов. Распространение получили низкотемпературные (t =150°С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей КОН). Топливом в элементах служит водород, окислителем – кислород из воздуха.

Ведутся работы по созданию энергетических установок, использующих энергию гравитации, вакуума, низких температур окружающего воздуха для обогревания помещений по принципу теплового насоса («холодильник наоборот», морозильное отделение которого помещено на улице).

 

Задание на СРС:

1. Охарактеризуйте нетрадиционную энергетику. Какие виды электрических станций и установок функционируют в нетрадиционной энергетике? Охарактеризуйте одну из них.