Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

4. Проблемы развития энергетики

   Развитие индустриального  общества опирается на постоянно  растущий уровень производства  и потребления различных видов  энергии.

   Как известно, в  основе производства тепловой  и электрической энергии лежит  процесс сжигания ископаемых  энергоресурсов - угла, нефти или  газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана  и плутония при поглощении  нейтронов. 

   Масштаб добычи  и расходования энергоресурсов, металлов, воды и воздуха для  производства необходимого человечеству  количества энергии огромен, а  запасы ресурсов стремительно  сокращаются. Особенно остро стоит  проблема быстрого исчерпания  запасов органических природных  энергоресурсов.

   Мировые запасы  энергоресурсов оцениваются величиной  :

V=355 *Q ,

 где  V - мировые запасы энергоресурсов;

          Q - единица тепловой энергии, равная Q=2,521017 ккал = 36109 тонн условного топлива /т.у. т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,81012 * т.у. т.

   Из этого количества  примерно одна треть может  быть извлечена с использованием  современной техники при умеренной  стоимости топливодобычи. С другой  стороны, современные потребности  в энергоносителях составляют 1,11010 т.у.т./год и растут со скоростью  3-4% в год, то есть удваиваются  каждые 20 лет.

Следовательно органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем.

   Отметим также,  что при сжигании ископаемых  углей и нефти, обладающих сернистостью  около 2,5 %, ежегодно образуется  до 400 млн. тонн сернистого газа  и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого  жителя Земли в год.

   Использование энергии  атомного ядра и развитие атомной  энергетики частично снимает  остроту этой проблемы. Действительно,  открытие деления тяжелых ядер  при захвате нейтронов, сделавшее  век атомным, стало существенным  вкладом к запасам энергетического ископаемого топлива. Запасы чистого урана в земной коре оцениваются цифрой - 1014 тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4109 тонн. В тоже время богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108 тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104 тонны очищенного урана.

   Другая важная  проблема современного индустриального  общества - обеспечение сохранности  природы, чистоты воды и воздуха.

   Известна озабоченность  ученых по поводу "парникового  эффекта", возникающего из-за выбросов  углекислого газа при сжигании  органического топлива, и соответствующего  глобального потепления климата  на нашей планете. Проблемы  загазованности воздушного бассейна, "кислых" дождей, отравления рек  приблизились во многих районах  к критической черте.

   Атомная энергетика  не потребляет кислорода и  имеет ничтожное количество выбросов  при нормальной эксплуатации, что  позволяет устранить возможность  возникновения парникового эффекта  с тяжелыми экологическими последствиями  глобального потепления.

   Чрезвычайно важным  обстоятельством является тот  факт, что атомная энергетика  доказала свою экономическую  эффективность практически во  всех районах земного шара. Кроме  того, даже при большом масштабе  энергопроизводства на АЭС, атомная  энергетика не создаст особых  транспортных проблем, поскольку  требует минимальных транспортных  расходов, что освобождает общество  от бремени постоянных перевозок  огромных количеств органического  топлива.  

5. Альтернативные источники энергии

Альтернативная энергетика, основанной на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь подробнее каждый из них и выясним, возможно ли, и насколько эффективно их применение.

Масштабы использования  возобновляемых источников энергии (ВИЭ), растут с каждым годом. Сегодня их доля в мировом энергетическом балансе составляет около 8%, а к 2020 г.. по прогнозам специалистов,  должна  возрасти до   19%.

Технологии использования  ВИЭ неуклонно совершенствуются и становятся все более конкурентоспособными и привлекательными. Повышенный интерес к применению экологически чистых ВИЭ во многих странах связан как с ростом цеп на традиционные энергоносители, так и с угрозой антропогенного загрязнения окружающей среды, в том числе энергетическими объектами.

В последние годы внимание к новым источникам энергии резко возросло и в России. Несмотря на то, что страна обладает колоссальными запасами нефти, газа и угля, затраты на их добычу и транспортировку неуклонно растут. Большая часть территории с населением около 20 млн. человек не имеет централизованных систем электро- и теплоснабжения. В условиях быстрого роста тарифов (в некоторых регионах России за последние 4 года - в 3-5 раз) многие потребители предпочитают использовать собственные, в том числе нетрадиционные автономные источники энергии. Появляются новые области их эффективного практического применения. 

К примеру, на Камчатке использование нескольких блоков Верхне-Мутновской и Мутновской геотермальных электростанций позволило существенно облегчить положение с энергоснабжением полуострова. Причем следует отметить, что себестоимость электроэнергии ГеоЭС существенно ниже, чем на дизельных электростанциях. 

В настоящее время  активно развиваются и внедряются технологии энергетической переработки отходов деревоперерабатывающей промышленности на северо-западе России. Создаются ветроэнергетические комплексы па Чукотке, в Калининградской, Ленинградской и других областях страны. Расширяется применение мини-и микро-ГЭС в горных районах Алтая, Башкирии, Бурятии, растет интерес к системам теплоснабжения на базе тепловых насосов.  

Широкое   применение   в   России могла бы найти и солнечная энергия. Несмотря на то что в ряде районов страны (прежде всего в Краснодарском крае, Дагестане. Бурятии) в течение ряда лет успешно работают солнечные водонагревательные установки, обеспечивающие горячей водой некоторые санатории, дома отдыха, больницы и жилые дома, в других регионах отношение к ним осторожное.

Бытует мнение, что солнечная энергия может эффективно использоваться только в южных странах, а Россия после распада Советского Союза стала считаться северной страной, где солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно.

Последние исследования и разработки специалистов Института высоких температур Российской академии наук (ИВТ РАН) доказывают несостоятельность такой точки зрения. 

В лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ИВТ РАН завершена разработка Атласа распределения ресурсов солнечной энергии по территории России, создана климатическая база данных, ориентированная на исследования в области солнечной энергетики. Наземных станций, па которых проводятся систематические измерения потоков солнечного излучения на территории России, насчитывается всего около ста, что явно недостаточно для районирования всей территории страны. Поэтому в исследованиях были использованы также спутниковые данные NASA, полученные за 10 лет наблюдений за радиационным балансом земной поверхности, в том числе и над территорией России. В результате сотрудниками лаборатории составлены карты поступления солнечной радиации на неподвижные поверхности, ориентированные различным образом в пространстве для всех регионов за определенные периоды года. Для эффективного преобразования энергии Солнца важно выбрать оптимальный угол наклона солнечного коллектора, при котором суммарное поступление энергии солнечного излучения на приемную поверхность за рассматриваемый период работы максимально. Оптимизация угла позволяет в 1,3—1,5 раза увеличить сбор энергии по сравнению с ее поступлением на горизонтальную поверхность.

Построение карт позволило системно оценить потенциал солнечной энергии в различных регионах страны. На изображенной выше карте приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации, поступающей в среднем за день на 1 м площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации   па   единичную   площадку максимально). Очевидно, что и сегодняшних границах России наиболее «солнечными» являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (от 4,5 до 5.0 кВт-ч/м2 день). Интересно, что Северный Кавказ, включая известные российские черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт-ч/ в день). Более 60% территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВт-ч/ в  день.

Важным фактором, определяющим экономическую эффективность применения солнечных установок, является продолжительность их использования в течение года. Проблема заключается в том, что для высокоширотных районов различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так, для территорий, расположенных за Полярным кругом, значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь. В средней полосе России, в том числе и в Москве, поступление энергии солнечного излучения в летний период в пять раз больше, чем в зимний. В этой ситуации возникает вопрос: какие водонагревательные установки наиболее целесообразно предлагать потребителям: сезонные, работающие только в теплый период, или круглый год? Очевидно, что в последнем случае солнечные водонагревательные установки (СВУ) должны иметь большую поверхность солнечных коллекторов для сбора менее интенсивных потоков радиации. Кроме того, в них должен использоваться незамерзающий теплоноситель и, следовательно, дополнительные теплообменники для передачи тепла к воде. Очевидно, что такие агрегаты будут более дорогими и экономически менее привлекательными.

Освоение "солнечного" рынка в России должно начинаться прежде всего с простейших СВУ сезонного действия, которые могут найти эффективное применение не только на юге страны, но практически на всей территории России. С экономической точки зрения они конкурентоспособны там, где их можно замещать электрическими водонагревателями, потребляющими дорогую электрическую энергию. Их также можно использовать на всех объектах с сезонным (летним) потреблением горячей воды (летние кафе, туристические базы, дома отдыха и т.п.). Особо привлекательны установки для большинства россиян, имеющих летние дачи и загородные дома, электроснабжение которых часто ограничено пропускной способностью местных электрических сетей или вовсе отсутствует. Они имеют хорошие перспективы для применения в сельском хозяйстве, местной промышленности, на объектах жилищно-коммунального хозяйства. 

Если взглянуть на карту  распределения поступления солнечной радиации на поверхность земли по территории России за летний период, то видно, что большинство районов страны вплоть до 65° северной широты характеризуются примерно одинаковыми высокими значениями среднедневной радиации от 4,5 до 5 кВт-ч/м день, и с этой точки зрения энергетическая эффективность СВУ на всей этой территории оказывается приблизительно одинаковой.    

Сотрудниками  Лаборатории разработаны современные методы моделирования работы СВУ в реальных климатических условиях, па основе которых определена эффективность их применения в различных регионах России. Показано, например, что в климатических условиях Московского региона с помощью простейшей солнечной водонагревательной установки, имеющей плоский солнечный коллектор площадью 2 кв. м и бак-аккумулятор емкостью 100 л., в период с апреля по сентябрь можно получать теплую воду (т.е. нагретую до температуры выше 37°С) не менее чем в 70% дней этого периода, а при температуре более 45°С - в течение 50% дней без использования какого-либо резервного нагревателя. Даже в условиях г. Салехарда, расположенного на полярном круге, и летнее время установки могут обеспечить теплой водой более 60% дней.

В лаборатории  разработаны новые конструкции солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, позволяющие снизить их стоимость в 1,5-2 раза по сравнению с водонагревателями из нержавеющей стали, цветных металлов и стекла. Совместно с проектными организациями разрабатываются типовые решения по использованию солнечных установок различными потребителями. Созданы также стенды для теплотехнических испытаний и сертификации солнечных коллекторов и солнечных водонагревателей в соответствии с национальными и международными стандартами

Большое внимание уделяется созданию демонстрационных объектов в различных регионах страны. Одним из таких полигонов для применения ВИЭ (возобновляемых источников энергии) стала в последние годы Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук (САО), всемирно   известный   научный   центр, расположенный в гоpаx Западного Кавказа. Теплоснабжение научного поселка САО с населением 800 человек обеспечивается местной котельной на дорогом привозном жидком топливе. Отопление и горячее водоснабжение научных комплексов САО, расположенных за пределами поселка, в связи с недопущением загрязнения атмосферы - электрическое. В рамках демонстрационного проекта, осуществляемого под научным руководством лаборатории при финансовой поддержке Федерального агентства по науке, в настоящее время проводится реконструкция систем энергоснабжения САО с широким использованием возобновляемых источников энергии и энергосберегающих технологий. Разработаны и поэтапно вводятся в строй более десятка солнечных установок различного назначения (сезонное и круглогодичное горячее водоснабжение, подогрев воды в бассейне, отопление ряда помещений). Пущена система тепло насосного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа. При этом в качестве низкопотенциального используется тепло, выделяющееся в масляной системе подвески многотонной конструкции телескопа. Также проектируется ветровая ферма и энергоустановка на базе микро-ГЭС, которые предполагается использовать в качестве дублирующих источников энергии. Планируется создание когенерационной энергоустановки (мини-ТЭЦ) на базе действующей котельной жилого поселка. Ожидается, что большинство принятых к реализации технических решений имеют сроки окупаемости от 1 до 5 лет, что характеризует их как высокоэффективные.