Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

В.М. ЖИТАРЕНКО

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по курсу

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

для студентов специальности 8.090510 «Теплоэнергетика»

очной и заочной форм обучения

Часть I

МАРИУПОЛЬ 2006

УДК 662.61+621

Учебное пособие по курсу «Возобновляемые и вторичные

источники энергии» предназначено для студентов специальности

8.090510 «Теплоэнергетика» очной и заочной форм

обучения. /Сост.: Житаренко В.М. - Мариуполь: ПГТУ, 2006. - 200

с.

В учебном пособии рссматриваются вопросы связанные с

использоваием нетрадиционных возобновляемых источников

энергии. Приведен анализ запасов этих источников энергии для

Украины и перспективы их использования. Представлены

описания существующих и проектируемых схем использования

ВИЭ, конструкции преобразователей энергии и основного

оборудования. Рассмотрены вопросы экологического влияния

нетрадиционной энергетики на окружающую среду.

Составитель В.М. Житаренко

Ответственный за выпуск

к.т.н., доц. В.Н. Евченко

Утверждено

на заседании

кафедры ПТЭУ протокол № ___ от ___ 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………5

1 Нетрадиционные источники энергии и их потенциал……. 7

1.1 Опыт возобновляемой энергетики СССР,

России и СНГ.……………………..………………………………10

1.2 Нетрадиционная энергетика Украины…………………14

2 Нетрадиционные преобразователи энергии……………… 18

2.1 Фотоэлектрические преобразователи………………….18

2.2 Термоэлектрические генераторы………………………23

2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы. ……27

2.4 Термоэмиссионные преобразователи…………………28

3 Солнечная энергетика………………………………………..32

3.1 Гелиоэнергетический потенциал Украины……………34

3.2 Солнечное теплоснабжение…………………………….35

3.3 Концентрирующие гелиоприемники. …………………38

3.4 Солнечные электростанции…………………………….45

4 Геотермальная энергетика……………………………………52

4.1 Термальные воды………………….…………………….53

4.2 Запасы и распространение термальных вод…………...56

4.3 Потенциал геотермальной энергии в Украине………..59

4.4 Использование геотермальной энергии для

выработки электрической энергии……………………………..62

4.5 Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоТЭС…………66

4.6 Одноконтурные геотермальные энергоустановки…...69

4.7 Двухконтурные геотермальные энергоустановки. …73

4.8 Парогенераторы геотермальных установок…………...74

4.9 Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки..76

4.10 Гидропаротурбинные геотермальные энерго-

установки………………………………………………………… 81

4.11 Использование геотермальной энергии для

теплоснабжения………………………………………………..….86

5 Энергия ветра и ее использование……………………………94

5.1 Потенциал ветровой энергии в Украине……………….97

5.2 Классификация ветродвигателей ……………………..101

5.3 Работа поверхности при действии на нее силы ветра.103

5.4 Работа ветрового колеса крыльчатого ветродви-

гателя ……………………………………………………………106

6 Большая и малая гидроэнергетика………………………..111

6.1 Большая гидроэнергетика……………………………..111

6.2 Энергетический потенциал малых рек Украины……113

7 Тепловая энергия окружающей среды …………………….117

7.1 Теплонасосные установки и область их применения..120

7.2 Эффективность систем теплоснабжения с теплонасос-

ными установками………………………………………………123

8 Энергия океана………………………………………………128

8.1 Энергетические ресурсы океана………………………128

8.2 Основы преобразования энергии волн………………..131

8.3 Преобразователи энергии волн………………………..134

8.4 Колеблющийся водяной столб.………….……………138

8.5 Подводные устройства ...……………………………..140

8.6 Энергия приливов и морских течений………….……140

8.7 Тепловая энергия океана............................……….…..151

9 Биоэнергетика……………………………………………….162

9.1 Энергетический потенциал биомассы в Украине…...164

9.2 Пиролиз (сухая перегонка)……………………….…..168

9.3 Термохимические процессы…………………….……170

9.4 Спиртовая ферментация (брожение)…………….…..172

9.5 Использование этанола в качестве топлива…………175

9.6 Твердые бытовые и сельскохозяйственные отходы ..176

10 Экология нетрадиционной энергетики…………………...177

10.1 Взаимодействие энергетики и экологии…………..…177

10.2 Экологические последствия развития солнечной

энергетики………………………………………………………..179

10.3 Влияние ветроэнергетики на природную среду……...180

10.4 Экология геотермальной энергетики………………...184

10.5 Экология энергии океана……………………………..186

10.6 Экология биоэнергетики……………………………...189

11 Мир ищет источник энергии (вместо заключения)……….190

Рекомендуемая литература……………………………………….197

Дополнительная литература………………………………..198

Справочная литература……………………………………..199

Некоторые полезные ссылки…………………………….…200

ВВЕДЕНИЕ

Приближающаяся угроза мирового топливного “голода”, а

также глобальное загрязнение окружающей среды и тот факт,

что прирост потребности в энергии значительно опережает

прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых

позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра,

текущей воды, тепла земных недр, то есть на энергию, большая

часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда,

ни пользы.

В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный

интерес к использованию в различных отраслях экономики

нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Движущей силой этого процесса является структурная

перестройка мирового топливно-энергетического комплекса,

связанной с экологической ситуацией, складывающейся в

настоящее время как переходом на энергосберегающие и

ресурсосберегающие технологии в энергетике, так и в

промышленности и в жилищно-гражданском комплексе.

Значительное внимание этой проблеме уделяется

организациями, входящими в ООН, такими как ЮНЕСКО, ЕЭК,

ЮНЕП, ЮНИДС, а также другими межправительственными и

неправительственными международными организациями.

Выделяются значительные средства на работы в области НВИЭ

из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда

национального развития, Евроатома и других организаций.

В настоящее время на производство тепла и электричества

расходуется ежегодно количество тепла, эквивалентное

примерно 1000 трлн. баррелей нефти, сжигание которых сильно

загрязняет атмосферу Земли.

К 2005 г. первое место по объему бюджетных

ассигнований на НИОКР в области НВИЭ сохранялось за США,

второе – у Японии, у германии – третье, далее следуют Италия,

Испания, Великобритания и Нидерланды. Отмечается также

некоторая смена приоритетов в отношении к различным видам

НВИЭ. Первое место принадлежит солнечной энергетике, второе

– биоэнергетике, которая несколько оттеснила ветроэнергетику.

Последнее объясняется тем, что многие ветроэнергетические

проекты не доведены до промышленной и коммерческой стадии.

Третье место осталось за геотермальной энергетикой.

К 2030 г. НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-

70% современного уровня потребления энергии. НВИЭ,

преимущественно биомасса и гидроресурсы, удовлетворяют

сейчас примерно 20% мировой потребности в энергии, а энергия

биомассы – 35% энергетических потребностей развивающихся

стран.

Согласно прогнозу МИРЭС, на долю НВИЭ в 2020 г. будет

приходиться 1150 – 1450 млн. т условного топлива (5,6 – 5,8%

общего энергопотребления). При этом прогнозируемая доля

отдельных видов НВИЭ составит: биомасса – 35%, солнечная

энергия – 13%, гидроэнергия – 16%, ветроэнергия – 18%,

геотермальная энергия – 12%, энергия океана – 6%.

1 НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

И ИХ ПОТЕНЦИАЛ

При современном темпе развития экономики и научно-

технического прогресса энергопотребление может быть

обеспечено лишь за счет использования органических топлив

(уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии. По

результатам многочисленных исследований органическое

топливо к 2020÷2040 г. может удовлетворить запросы мировой

энергетики только частично. Уже к 2050 г. человечество будет

испытывать острый дефицит энергии. Этот дефицит энергии

может быть удовлетворен за счет новых источников энергии –

возобновляемых.

В последнее время нетрадиционная энергетика в Украине

получила признание со стороны государственных органов

власти, в результате чего подготовлено и принято ряд

государственных программ и поправок к законам об энергетике,

что создает благоприятные условия как для внедрения и

эксплуатации уже разработанного оборудования

нетрадиционной энергетики, так и развития новой

энерготехнологии и оборудования. Характерной приметой

энергетики Украины является движение в направления развития

экологически чистой энергетики на основе нетрадиционных

возобновляемых источников энергии.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это

источники на основе постоянно существующих или

периодически возникающих в окружающей среде потоков

энергии. Возобновляемая энергия не является следствием

целенаправленной деятельности человека, и это является ее

отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии – это природные

запасы веществ и материалов, которые могут быть

использованы человеком для производства энергии. К ним

относятся ядерное топливо, угли, нефть и газ. Энергия

невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых

находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в

результате целенаправленных действий человека.

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной

Ассамблеи ООН (1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым

источникам энергии относятся: солнечная, ветровая,

геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана,

энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа,

тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и

гидроэнергия больших и малых водотоков. Классификация

ВИЭ представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Нетрадиционные и возобновляемые

источники энергии

Источники

первичной

энергии

Естественное

преобразование

энергии

Техническое

преобразование

энергии

Вторичная

потребляемая

энергия

Земля Геотермальное тепло

Земли

Геотермальная

электростанция

Электричеств

Солнце Испарение

атмосферных

осадков

Гидроэлектростанци

и (напорные и

свободнопоточные)

Движение

атмосферного

воздуха

Ветроэнергетические

установки

Морские течения Морские

электростанции

Движение волн Волновые

электростанции

Таяние льдов Ледниковые

электростанции

Фотосинтез Электростанции на

биомассе

Фотоэлектричество

Планеты Приливы и отливы Приливные

электростанции

Мировые потенциальные возможности нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т у.т в

год:

 энергии Солнца – 2300;

 энергии ветра – 26,7;

 энергии биомассы – 10;

 тепла Земли – 40000;

 энергии малых рек – 360;

 энергии морей и океанов – 30;

 энергии вторичных низкопотенциальных источников – 530.

Производство энергии из возобновляемых источников

динамично развивается в большинстве Европейских стран.

В 1995 г. в странах ЕС на долю возобновляемых источников

энергии приходилось 74.3 млн. т нефтяного эквивалента (т.н.э.),

что составляло около 6% общего потребления первичных

энергоносителей (табл. 1.2).

Таблица 1.2 - Выработка тепловой и электрической энергии

из возобновляемых источников энергии в странах ЕС

Тип

возобновляемых

источников

энергии

Производство энергии Общие

капитальн

ые затраты

в 1997-

2010 гг,

млрд. $

Снижени

выбросо

в СО

до

2010 г.,

млн т/год

1995 г. 2010 г.

млн.

т.н.э

% млн.

т.н.э

Ветроэнергетика 0.35 0.5 6.9 3.8 34.56 72

Гидроэнергетика 26.4 35.5 30.5

16.

17.16 48

Фотоэлектрическ

ая энергетика

0.00

0.26 0.1 10.8 3

Биомасса 44.8 60.2 135 74.

100.8 255

Геотермальная

энергетика

2.5 3.4 5.2 2.9 6 5

Солнечные

тепловые

коллекторы

0.26 0.4 4 2.2 28.8 19

ВСЕГО 74.3 100 182 100 198.12 402

1.1 Опыт возобновляемой энергетики СССР,

России и СНГ

На территории СНГ имеется ряд действующих и

строящихся энергоустановках возобновляемой энергетики. На

рис. 1.1 приведена карта России с указанием на ней мест

расположения наиболее крупных объектов возобновляемой

энергетики.

Россия и СНГ располагает большими потенциальными

запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм

вулканических районов и энергетических термальных вод с

температурой 60-200°C в платформенных и предгорных

районах. В 1967 г. на южной оконечности Камчатки была

создана первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт,

доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. Пробуренные в

Паужетской геотермальной системе несколько десятков

скважин в суммарном объёме производят пароводяную смесь в

количестве, достаточном для расширения Паужетской ГеоТЭС

до 25 МВт.