Учебник / Пер. с немецкого. — Астана, 2013. — 432 с.: 280 цв. ил.,
113 табл. — ISBN 978-601-302-032-7.
Предисловие к седьмому (немецкому) изданию
Большой интерес к первому изданию данного — ставшего стандартным — учебника и положительные отзывы показали, что тема возобновляемых источников энергии очень актуальна. Кроме того, очень важно, что эта книга охватывает технические приемы, моделирование и критически важные вопросы, которые волнуют читателей. Катастрофа на Фукусиме печальным образом показала нам, что наше энергоснабжение срочно нуждается и замене. Технологии и возможности, описанные в этой книге, составляют основу устойчивых, полностью возобновляемых источников энергии.
Третье издание этой книги было опубликовано под названием «Понимание возобновляемых энергетических систем» еще и на английском языке издательством Earthscan, а также было переведено на арабский язык. Данное седьмое издание было полностью обновлено и немного изменено. DVD диск, прилагаемый к книге, содержит все цветные иллюстрации и полную коллекцию программ моделирования в области возобновляемых источников энергии.
Несмотря на тщательную проверку, в любом учебнике редко можно полностью избежать мелких ошибок и несоответствий. Поэтому особая благодарность всем, кто внес свой вклад в их устранение. Наконец, я хотел бы поблагодарить мою семью, друзей и коллег за помощь в подготовке книги. Особую благодарность выражаю издательству Carl Hanser Verlag и его сотрудникам за плодотворное сотрудничество в течение последних лет. Содержание:
Энергия и защита климата.
Понятие «энергия».
Потребление электроэнергии.
Мировое потребление электроэнергии.
Потребление электроэнергии в Германии.
Объем запасов традиционных энергоносителей.
Парниковый эффект.
Атомная энергия и парниковый эффект.
Ядерное деление.
Ядерный синтез.
Использование возобновляемых источников энергии.
Геотермальная энергия.
Энергия планет.
Энергия Солнца.
Использование прямой солнечной энергии.
Использование косвенной солнечной энергии.
Будущее потребление энергии и защита климата.
Развитие глобального спроса на энергию.
Международная защита климата.
Защита климата о Германии. Солнечное излучение.
Введение.
Солнце как ядерный реактор.
Солнечное излучение на поверхности Земли.
Интенсивность излучения на горизонтальной поверхности.
Высота Солнца и угол падения.
Интенсивность излучения на наклонной поверхности.
Прямое излучение на наклонной поверхности.
Диффузное излучение на наклонной поверхности.
Отражение от поверхности Земли.
Увеличение интенсивности излучения за счет наклона или ориентации на Солнце.
Расчет потерь от затенения.
Анализ окружающей зоны.
Определение коэффициента прямого затенения.
Определение коэффициента диффузного затенения.
Расчет общего затенения.
Оптимальное расстояние между солнечными коллекторами, установленными на опорах.
Техника измерения солнечного излучении и солнечные симуляторы.
Измерение интенсивности солнечного излучения у земной поверхности.
Измерение интенсивности прямого и диффузного излучения.
Искусственное Солнце. Неконцентрированная солнечная тепловая энергия.
Основные положения.
Солнечные тепловые системы.
Обогрев бассейна за счет солнечного тепла.
Нагрев питьевой воды за счет солнечной тепловой энергии.
Самотечные и термосифонные установки.
Установки с принудительной циркуляцией.
Дополнительное отопление за счет солнечного тепла.
Отопление исключительно за счет солнечного тепла.
Местное снабжение солнечной энергией.
Охлаждение за счет солнечной энергии.
Солнечные коллекторы.
Коллекторы-накопители.
Плоские коллекторы.
Вакуумные коллекторы с тепловыми трубками.
Коллекторы-накопители.
Мощность и коэффициент полезного действия коллектора.
Трубопроводы.
Нагревательные потери в трубопроводах.
Циркуляционные потери.
Аккумуляторы.
Аккумуляторы для питьевой воды.
Плавательный бассейн.
Расчет параметров оборудования.
Потребность в полезном тепле.
Уровень покрытия за счет солнечной энергии и коэффициент использования.
Установки для снабжения питьевой водой на солнечной энергии.
Системы для дополнительного отопления за счет солнечной энергии.
Отопление исключительно за счет солнечной энергии.
Вихревые тепловые станции. Концентрированная солнечная тепловая энергия.
Введение.
Концентрация солнечного излучения.
Коллекторы-концентраторы.
Линейные коллекторы.
Типы коллекторов и их геометрия.
Полезная мощность и КПД коллектора.
Линейное расширение.
Поля коллекторов с параболическим желобом.
Точечные концентраторы.
Тепловые двигатели.
Цикл Карно.
Цикл Клаузиуса-Ренкина.
Цикл Джоуля.
Цикл Стирлинга.
Концентрированные солнечные тепловые системы.
Электростанции с параболическим желобом.
Солнечные электростанции башенного типа.
Объемный ресивер открытого типа.
Ресивер давления.
Электростанции тарельчатого типа с двигателем Стирлинга.
Солнечные печи и солнечная химия.
Импорт электроэнергии. Фотовольтаика.
Введение.
Принцип действия солнечных элементов.
Модель атома бора.
Фотоэффект.
Принцип функционирования солнечных элементов.
Производство солнечных элементов и солнечных модулей.
Солнечные элементы из кристаллического кремния.
Солнечные модули с кристаллическими элементами.
Солнечные элементы из аморфного кремния.
Солнечные элементы из других материалов.
Описание электрических параметров солнечных элементов.
Простая эквивалентная схема.
Расширенная эквивалентная схема (однодиодная модель).
Двухдиодная модель.
Двухдиодная модель с элементом расширения.
Прочие параметры элемента.
Температурная зависимость.
Определение параметров.
Электрическое описание солнечных модулей.
Последовательное включение солнечных элементов.
Последовательное включение при неодинаковых условий.
Параллельное соединение солнечных элементов.
Технические данные солнечных модулей.
Солнечный генератор и нагрузка.
Сопротивление нагрузки
Преобразователи постоянного напряжения (инверторы)
Понижающий регулятор напряжения.
Повышающий регулятор напряжения.
Другие преобразователи постоянного напряжения.
Трекер ТММ.
Аккумуляторы.
Виды аккумуляторов.
Свинцово-кислотные аккумуляторы.
Другие аккумуляторы.
Аккумуляторные системы.
Другие возможности аккумулирования.
Инверторы переменного тока.
Инверторная технология.
Инверторы с прямоугольным импульсом.
Другие преобразователи переменного тока.
Инверторы в фотовольтаике.
Новые фотовольтаические системы.
Планирование и определение параметров.
Автономные системы.
Подключенные к сети системы. Энергия ветра.
Введение.
Природные ресурсы энергии ветра.
Возникновение ветра.
Характеристика силы ветра.
Распределение ветра по скорости.
Влияние окружающей среды и высоты.
Использование энергии ветра.
Мощность ветрового потока.
Роторы сопротивления.
Рабочее колесо (на принципе подъемной силы).
Модели ветроэнергетических установок.
Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения.
Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения.
Конструкция установок.
Лопасти ротора.
Диапазон скорости ветра.
Ограничение мощности и штормовое отключение.
Ориентация по ветру.
Башня, фундамент, редуктор и генератор.
Оффшорные ветроэнергетические установки.
Электрические машины.
Электрические расчеты переменного тока.
Вращающееся поле.
Синхронные машины.
Конструкция.
Электрические параметры.
Синхронизация.
Асинхронные машины.
Конструкция и режимы работы.
Эквивалентные схемы и векторные диаграммы токов.
Баланс мощности.
Механическая характеристика оборотов - вращающего момента и типичные данные генератора.
Электрические концепции установок.
Асинхронный генератор с прямым соединением.
Синхронный генератор с прямым соединением.
Синхронный генератор с инвертором и промежуточным контуром.
Асинхронный генератор с регулируемым числом оборотов.
Установки с изолированной нейтралью.
Сетевой режим.
Энергия установок.
Присоединение к сети. Энергия воды.
Введение.
Природные ресурсы энергии воды.
Гидроэлектростанции.
Гидроэлектростанции на мезарегулированном стоне.
Гидроаккумулирующие электростанции.
Насосные гидроаккумулирующие электростанции.
Гидротурбины.
Виды турбин.
Турбина Каплана и горизонтальная осевая турбина.
Турбина Осбергера.
Турбина Френсиса.
Турбина Пелтона.
Коэффициент полезного действия турбины.
Прочие технические установки для использования энергии воды.
Приливные электростанции.
Электростанции на морских течениях.
Волновые электростанции. Геотермия.
Возникновение геотермии.
Геотермальные теплоэлектроцентрали.
Геотермальное производство электроэнергии.
Принцип работы термальной электростанции.
Геотермальные электростанции.
Тепловые насосы.
Компрессионные тепловые насосы.
Абсорбционные тепловые насосы.
Адсорбционные тепловые насосы.
Область применения, проектирование и расчет прибыли. Использование биомассы.
Возникновение биомассы.
Твердые биоэнергоносители.
Жидкие биоэнергоносители.
Растительное масло.
Биодизель.
Биоспирт.
Синтетическое топливо (БтЛ).
Газообразные носители биоэнергии.
Производительность выработки и баланс по окружающей среде.
Установки по переработке биомассы.
Отопление с использованием биомассы.
Электростанции на биомассе. Производство водорода, топливные элементы и метанизация.
Производство и хранение водорода.
Топливные элементы.
Введение.
Типы топливных элементов.
Коэффициенты полезного действия и рабочие характеристики.
Метанизация. Расчеты рентабельности.
Введение.
Себестоимость производства энергии.
Расчет без прибыли на инвестированный капитал.
Солнечные тепловые установки для подогрева питьевой воды.
Солнечные тепловые электростанции.
Фотовольтаические установки.
Ветровые установки.
Гидроэлектростанции.
Геотермальные установки.
Отопление на древесных гранулах.
Расчеты с прибылью на инвестированный капитал.
Солнечные тепловые установки для подогрева питьевой воды.
Солнечные тепловые электростанции.
Фотовольтаические установки.
Ветровые установки.
Компенсация за возобновляемые энергетические установки.
Будущее развитие расходов на возобновляемые источники энергии.
Издержки традиционных энергетических систем.
Внешние расходы энергопотребления.
Субсидии на энергетическом рынке.
Расходы на научные исследования и развитие.
Расходы на ущерб окружающей среде и здоровью.
Прочие внешние расходы.
Интернализация внешних расходов.
Критический анализ экономического расчета.
Бесконечное приращение капитала.
Ответственность капитала. Моделирование и DVD диск к книге.
Общая информация о моделировании.
DVD диск к книге.
Запуск и обзор.
Иллюстрации.
Программное обеспечение.
Разное. Список литературы.
Предметный указатель.
Большой интерес к первому изданию данного — ставшего стандартным — учебника и положительные отзывы показали, что тема возобновляемых источников энергии очень актуальна. Кроме того, очень важно, что эта книга охватывает технические приемы, моделирование и критически важные вопросы, которые волнуют читателей. Катастрофа на Фукусиме печальным образом показала нам, что наше энергоснабжение срочно нуждается и замене. Технологии и возможности, описанные в этой книге, составляют основу устойчивых, полностью возобновляемых источников энергии.
Третье издание этой книги было опубликовано под названием «Понимание возобновляемых энергетических систем» еще и на английском языке издательством Earthscan, а также было переведено на арабский язык. Данное седьмое издание было полностью обновлено и немного изменено. DVD диск, прилагаемый к книге, содержит все цветные иллюстрации и полную коллекцию программ моделирования в области возобновляемых источников энергии.
Несмотря на тщательную проверку, в любом учебнике редко можно полностью избежать мелких ошибок и несоответствий. Поэтому особая благодарность всем, кто внес свой вклад в их устранение. Наконец, я хотел бы поблагодарить мою семью, друзей и коллег за помощь в подготовке книги. Особую благодарность выражаю издательству Carl Hanser Verlag и его сотрудникам за плодотворное сотрудничество в течение последних лет. Содержание:
Энергия и защита климата.
Понятие «энергия».
Потребление электроэнергии.
Мировое потребление электроэнергии.
Потребление электроэнергии в Германии.
Объем запасов традиционных энергоносителей.
Парниковый эффект.
Атомная энергия и парниковый эффект.
Ядерное деление.
Ядерный синтез.
Использование возобновляемых источников энергии.
Геотермальная энергия.
Энергия планет.
Энергия Солнца.
Использование прямой солнечной энергии.
Использование косвенной солнечной энергии.
Будущее потребление энергии и защита климата.
Развитие глобального спроса на энергию.
Международная защита климата.
Защита климата о Германии. Солнечное излучение.
Введение.
Солнце как ядерный реактор.
Солнечное излучение на поверхности Земли.
Интенсивность излучения на горизонтальной поверхности.
Высота Солнца и угол падения.
Интенсивность излучения на наклонной поверхности.
Прямое излучение на наклонной поверхности.
Диффузное излучение на наклонной поверхности.
Отражение от поверхности Земли.
Увеличение интенсивности излучения за счет наклона или ориентации на Солнце.
Расчет потерь от затенения.
Анализ окружающей зоны.
Определение коэффициента прямого затенения.
Определение коэффициента диффузного затенения.
Расчет общего затенения.
Оптимальное расстояние между солнечными коллекторами, установленными на опорах.
Техника измерения солнечного излучении и солнечные симуляторы.
Измерение интенсивности солнечного излучения у земной поверхности.
Измерение интенсивности прямого и диффузного излучения.
Искусственное Солнце. Неконцентрированная солнечная тепловая энергия.
Основные положения.
Солнечные тепловые системы.
Обогрев бассейна за счет солнечного тепла.
Нагрев питьевой воды за счет солнечной тепловой энергии.
Самотечные и термосифонные установки.
Установки с принудительной циркуляцией.
Дополнительное отопление за счет солнечного тепла.
Отопление исключительно за счет солнечного тепла.
Местное снабжение солнечной энергией.
Охлаждение за счет солнечной энергии.
Солнечные коллекторы.
Коллекторы-накопители.
Плоские коллекторы.
Вакуумные коллекторы с тепловыми трубками.
Коллекторы-накопители.
Мощность и коэффициент полезного действия коллектора.
Трубопроводы.
Нагревательные потери в трубопроводах.
Циркуляционные потери.
Аккумуляторы.
Аккумуляторы для питьевой воды.
Плавательный бассейн.
Расчет параметров оборудования.
Потребность в полезном тепле.
Уровень покрытия за счет солнечной энергии и коэффициент использования.
Установки для снабжения питьевой водой на солнечной энергии.
Системы для дополнительного отопления за счет солнечной энергии.
Отопление исключительно за счет солнечной энергии.
Вихревые тепловые станции. Концентрированная солнечная тепловая энергия.
Введение.
Концентрация солнечного излучения.
Коллекторы-концентраторы.
Линейные коллекторы.
Типы коллекторов и их геометрия.
Полезная мощность и КПД коллектора.
Линейное расширение.
Поля коллекторов с параболическим желобом.
Точечные концентраторы.
Тепловые двигатели.
Цикл Карно.
Цикл Клаузиуса-Ренкина.
Цикл Джоуля.
Цикл Стирлинга.
Концентрированные солнечные тепловые системы.
Электростанции с параболическим желобом.
Солнечные электростанции башенного типа.
Объемный ресивер открытого типа.
Ресивер давления.
Электростанции тарельчатого типа с двигателем Стирлинга.
Солнечные печи и солнечная химия.
Импорт электроэнергии. Фотовольтаика.
Введение.
Принцип действия солнечных элементов.
Модель атома бора.
Фотоэффект.
Принцип функционирования солнечных элементов.
Производство солнечных элементов и солнечных модулей.
Солнечные элементы из кристаллического кремния.
Солнечные модули с кристаллическими элементами.
Солнечные элементы из аморфного кремния.
Солнечные элементы из других материалов.
Описание электрических параметров солнечных элементов.
Простая эквивалентная схема.
Расширенная эквивалентная схема (однодиодная модель).
Двухдиодная модель.
Двухдиодная модель с элементом расширения.
Прочие параметры элемента.
Температурная зависимость.
Определение параметров.
Электрическое описание солнечных модулей.
Последовательное включение солнечных элементов.
Последовательное включение при неодинаковых условий.
Параллельное соединение солнечных элементов.
Технические данные солнечных модулей.
Солнечный генератор и нагрузка.
Сопротивление нагрузки
Преобразователи постоянного напряжения (инверторы)
Понижающий регулятор напряжения.
Повышающий регулятор напряжения.
Другие преобразователи постоянного напряжения.
Трекер ТММ.
Аккумуляторы.
Виды аккумуляторов.
Свинцово-кислотные аккумуляторы.
Другие аккумуляторы.
Аккумуляторные системы.
Другие возможности аккумулирования.
Инверторы переменного тока.
Инверторная технология.
Инверторы с прямоугольным импульсом.
Другие преобразователи переменного тока.
Инверторы в фотовольтаике.
Новые фотовольтаические системы.
Планирование и определение параметров.
Автономные системы.
Подключенные к сети системы. Энергия ветра.
Введение.
Природные ресурсы энергии ветра.
Возникновение ветра.
Характеристика силы ветра.
Распределение ветра по скорости.
Влияние окружающей среды и высоты.
Использование энергии ветра.
Мощность ветрового потока.
Роторы сопротивления.
Рабочее колесо (на принципе подъемной силы).
Модели ветроэнергетических установок.
Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения.
Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения.
Конструкция установок.
Лопасти ротора.
Диапазон скорости ветра.
Ограничение мощности и штормовое отключение.
Ориентация по ветру.
Башня, фундамент, редуктор и генератор.
Оффшорные ветроэнергетические установки.
Электрические машины.
Электрические расчеты переменного тока.
Вращающееся поле.
Синхронные машины.
Конструкция.
Электрические параметры.
Синхронизация.
Асинхронные машины.
Конструкция и режимы работы.
Эквивалентные схемы и векторные диаграммы токов.
Баланс мощности.
Механическая характеристика оборотов - вращающего момента и типичные данные генератора.
Электрические концепции установок.
Асинхронный генератор с прямым соединением.
Синхронный генератор с прямым соединением.
Синхронный генератор с инвертором и промежуточным контуром.
Асинхронный генератор с регулируемым числом оборотов.
Установки с изолированной нейтралью.
Сетевой режим.
Энергия установок.
Присоединение к сети. Энергия воды.
Введение.
Природные ресурсы энергии воды.
Гидроэлектростанции.
Гидроэлектростанции на мезарегулированном стоне.
Гидроаккумулирующие электростанции.
Насосные гидроаккумулирующие электростанции.
Гидротурбины.
Виды турбин.
Турбина Каплана и горизонтальная осевая турбина.
Турбина Осбергера.
Турбина Френсиса.
Турбина Пелтона.
Коэффициент полезного действия турбины.
Прочие технические установки для использования энергии воды.
Приливные электростанции.
Электростанции на морских течениях.
Волновые электростанции. Геотермия.
Возникновение геотермии.
Геотермальные теплоэлектроцентрали.
Геотермальное производство электроэнергии.
Принцип работы термальной электростанции.
Геотермальные электростанции.
Тепловые насосы.
Компрессионные тепловые насосы.
Абсорбционные тепловые насосы.
Адсорбционные тепловые насосы.
Область применения, проектирование и расчет прибыли. Использование биомассы.
Возникновение биомассы.
Твердые биоэнергоносители.
Жидкие биоэнергоносители.
Растительное масло.
Биодизель.
Биоспирт.
Синтетическое топливо (БтЛ).
Газообразные носители биоэнергии.
Производительность выработки и баланс по окружающей среде.
Установки по переработке биомассы.
Отопление с использованием биомассы.
Электростанции на биомассе. Производство водорода, топливные элементы и метанизация.
Производство и хранение водорода.
Топливные элементы.
Введение.
Типы топливных элементов.
Коэффициенты полезного действия и рабочие характеристики.
Метанизация. Расчеты рентабельности.
Введение.
Себестоимость производства энергии.
Расчет без прибыли на инвестированный капитал.
Солнечные тепловые установки для подогрева питьевой воды.
Солнечные тепловые электростанции.
Фотовольтаические установки.
Ветровые установки.
Гидроэлектростанции.
Геотермальные установки.
Отопление на древесных гранулах.
Расчеты с прибылью на инвестированный капитал.
Солнечные тепловые установки для подогрева питьевой воды.
Солнечные тепловые электростанции.
Фотовольтаические установки.
Ветровые установки.
Компенсация за возобновляемые энергетические установки.
Будущее развитие расходов на возобновляемые источники энергии.
Издержки традиционных энергетических систем.
Внешние расходы энергопотребления.
Субсидии на энергетическом рынке.
Расходы на научные исследования и развитие.
Расходы на ущерб окружающей среде и здоровью.
Прочие внешние расходы.
Интернализация внешних расходов.
Критический анализ экономического расчета.
Бесконечное приращение капитала.
Ответственность капитала. Моделирование и DVD диск к книге.
Общая информация о моделировании.
DVD диск к книге.
Запуск и обзор.
Иллюстрации.
Программное обеспечение.
Разное. Список литературы.
Предметный указатель.