Альтернативные источники энергии

В ветровых установках группы турбин связаны вместе с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий.

Страны Евросоюза в 2005 году вырабатывали из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии. В 2006 году ветряные электростанции Германии произвели 30,6 млрд. кВт•ч. электроэнергии, что составляет 7% от всей произведённой в Германии электроэнергии. Около 20% электроэнергии в Дании вырабатывается из ветра. Индия в 2005 году получает из энергии ветра около 3% всей электроэнергии.

Ветровая энергия является наиболее рентабельной из всех альтернативных источников получения электроэнергии и может быть использована практически повсеместно. Наиболее перспективно применение ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. В то же время ветровые электростанции вызывают неприемлемые шумовые эффекты и потому должны располагаться вдали от нас. пунктов. Число ветровых установок в мире составляет ок. 20 тыс. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели. В Сев. Америке мощность ветровых электростанций превысила 2000 МВт, в Зап. Европе – 2300 МВт.

Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60 000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии.

Россия

Установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009г. составляет около 15МВт. Одна из самых больших ветроэлектростанций России мощностью 5,1МВт расположена в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Ее среднегодовая выработка составляет около 6млн.кВт*ч.

Одним из самых мощных ветродизельных комплексов России является «Анадырская» ВЭС. Она была спроектирована в 2001-2002г. и выведена на полную мощность в 2003г. В Республике Коми, вблизи Воркуты, строится «Заполярная» ВЭС мощностью 3 МВт В Калмыкии, в 20км от Элисты, размещена площадка «Калмыцкой» ВЭС с планируемой мощностью 22МВт и годовой выработкой 53млн.кВт*ч. На сегодняшний момент станция находится на этапе строительства.

  В Башкортостане установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт.

  В Калининградской области, смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет ~5 МВт.

  На Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт.

В Мурманске вошла в строй ветроустановка мощностью 200 кВт.

Но совокупная мощность ветроэлектростанций России не превысила в 2004 году 12 МВт.

  Российская Федерация — это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических зонах, что определяет высокий потенциал использования ветряных электростанций. Технический потенциал составляет более 6200 миллиардов киловатт часов, или в 6 раз превышает всё современное производство электроэнергии в нашей стране.

  Активное развитие ветроэнергетика получила после Чернобыльской аварии. Правительство Германии приняло решение о производстве энергии из возобновляемых источников. Первая правительственная программа поддержки ветроэнергетики под названием «100МВт ветра» появилась в Германии в 1989г.

  При полной государственной поддержке в 2002г. установленные мощности германской ветроэнергетики достигли 10 000МВт. На 2008г. в Германии работали 20301 ветровых турбин суммарной мощностью 23902,77МВт. Крупнейшим поставщиком ветрогенераторов в Германии с 61% рынка является Enercon.

Активно идет процесс под названием Repowering – старые ветрогенраторы заменяются на более мощные и менее шумные, что позволяет увеличивать производительность станций при той же занимаемой площади. ВЭУ Германии в 2008г. выработали 14,5% электроэнергии.

Канада

На 2008г. установленные ветроэнергетические мощности Канады составляли  порядка 2300МВт и производят около 1% всей электроэнергии страны. Примечательным в ветроэнергетике этой страны следует считать уникальную в своем роде ветроводородную станцию, которая находится в процессе строительства. В ней планируется использовать технологию алкалинового электролиза, что позволит сохранить излишки электроэнергии в периоды минимума нагрузок и максимума выработки в виде произведенного из воды водорода, который можно использовать по мере надобности [12].

2.2 Солнечные электростанции

  Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

  Солнечные параболические концентраторы (см. приложение 1.)

  В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой “Luz International”, девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. “Luz International” установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему “Solar Electric Generating System I” (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция “SEGS I” предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции “SEGS II - VII” мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены “SEGS VIII и IX”, каждая мощностью 80 МВт.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа. (см. приложение 2)

  Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

  Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы “Stirling Technology”, “Stirling Thermal Motors” и “Detroit Diesel” совместно с корпорацией “Science Applications International Corporation” создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

(см. приложение 3)

  В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать “Solar One” для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

  “Solar Two” - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта “Solar Two” должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Сопоставление технических характеристик

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер “тарелок” позволяет использовать их в небольших установках. Башни и “тарелки” позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора

[ 3, 123-130].

2.3 Приливные электростанции

  Приливная электростанция  (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.

  Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций пренебрежимо мало. Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10−14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2×10−5 с в год).