2. Традиционные и нетрадиционные источники энергии

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии. Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. При их сооружении также наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек. Важнейшая особенность гидротехнических ресурсов в сравнении с топливно-энергетическими — их непрерывная возобновляемость. Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива. Ветроэнергетическая установка способна превращать энергию ветра в электроэнергию. Запасы ветровой энергии на территории нашей страны огромны, так как во многих районах среднегодовая скорость ветра составляет б м/с. Устройство ветроэнергетической установки достаточно простое: вал ветряного колеса, способного вращаться под действием ветра, передает вращение ротору генератора электрической энергии. Стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях ниже, чем на любых других. Кроме того, ветроэнергетика экономит богатства недр. Недостатки ветроэнергетических установок — низкий коэффициент полезного действия, небольшая мощность. Они применяются там, где нет стабильного обеспечения электроэнергией — на нефтяных разработках, горных пастбищах, в пустынях и т. п. Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10 м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. В нашей стране уже созданы и работают приливные электростанции. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются неравномерность выработки электроэнергии во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды. Гелиоэнергетика (энергия Солнца). Во второй половине XX в. в связи с бурным развитием космонавтики начали разрабатывать проблему гелиоэнергетики — преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы — кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов — частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств. МГД-генераторы. Основу современной электроэнергетики, как было уже отмечено, составляют теплоэлектростанции и гидроэлектростанции, в которых очень велики потери при преобразовании тепловой энергии (от сжигания топлива на ТЭС) или механической энергии (на ГЭС) в электрическую. Техническим устройством, в котором таких потерь практически нет, является магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор). Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электрический ток. В МГД-генераторе происходит преобразование энергии, движущейся в магнитном поле плазмы, — раскаленного до очень высокой температуры газа — непосредственно в электроэнергию. Электрический ток, образованный свободными электронами и положительными ионами, возникает непосредственно в плазме и отдается во внешнюю цепь. Основная техническая проблема при создании МГД-генерато-ров — получение высоких температур (несколько тысяч градусов), необходимых для образования плазмы — газообразной смеси из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. 

3. 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 тепла – 530. Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. т.у.т., торфа – 10 млрд. т.у.т. По имеющимся оценкам, технический потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал НВИЭ определен в 270 млн. т у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы. Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а объем замещения органического топлива – около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год. Положительным фактором для развития НВИЭ в России является начавшееся создание законодательной базы. Так, Законом «Об энергосбереже- нии» в 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О госу- дарственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально до- пустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. Предполагается развивать производственные мощности оборудования нетрадиционной энергетики, на что будет выделено 1,315 млрд. рублей: 17% из федерального бюджета, остальные – из региональных и местных бюджетов.  В мае 2003 г. на рассмотрение правительства России вынесена «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.». Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.  Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:  - сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;  - снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического ком- плекса;  - обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;  - снижение расходов на дальнепривозное топливо. Необходимость развития возобновляемой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:  - обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и про- изводства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;  - обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений;  - снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения. 

4. Россия 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

 В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт. В настоящее время действуют около 50 микроГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт, в том числе каскад ГЭС на р. Толмачева мощностью трех очередей около 45 МВт. В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации. Налаживается сотрудничество с зарубежными организациями и фирмами, имеющими большой опыт в этой области. Недалеко от г. Элиста планируется строительство крупной Калмыцкой ВЭС, проектная мощность которой составляет 23 МВт. Первая очередь была построена на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1,0 МВт и с июля 1995 г. подключена к энергосистеме Калмыкии. Установка работает в круглосуточном режиме. 

Подготовлено технико-экономическое обоснование Приморской ветровой электростанции общей мощностью 30 МВт. В качестве основного технологического оборудования приняты комплексные автоматизированные ВЭУ фирмы «Радуга» единичной мощностью 250 и 1000 кВт, поставляемые заводом укрупненными блоками максимальной заводской готовности. ВЭС будет размещается на мысе Лукина, где планируется установить 80 ВЭУ мощностью 250 кВт, и на мысе Поворотном – 10 ВЭУ мощностью 1,0 МВт. Кроме перечисленных ВЭС в эксплуатации находятся до 1500 ветроустановок различной мощности (от 0,08 до 30 кВт). В восьмидесятые годы в Крыму была построена первая экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии, а также экспериментальный комплекс сооружений с солнечным тепло- и хладоснабжением. В 60-70-е годы появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения. К концу 80-х годов в бывшем СССР в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс.м2 , а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м2 в год.  В 1968 г. в Кислой губе на побережье Баренцева моря появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве ко- торой был впервые использован отечественный прогрессивный метод наплавного строительства плотины. На ПЭС был установлен один обратимый капсульный агрегат французской фирмы «Нейрпик». Кислогубская ПЭС является научной базой ОАО «Научно-исследовательский институт энергети- ческих сооружений». В последние годы станция не эксплуатировалась, но июне 2003 г. руководством Мурманской области и РАО «ЕЭС России» принято совместное решение о ее восстановлении. Гидроагрегаты для восста- новления станции и увеличения ее мощности заказаны на предприятии «Звездочка» г. Северодвинск Архангельской области. 

5. принцип получения тепла очень простой – лучистая энергия солнечного излучения поглощается веществом и переходит в кинетическую энергию атомов вещества, которые при увеличении колебаний увеличивают свою температуру. Теплоту от нагретого тела можно передавать различными способами менее нагретому телу.

6. Интенсивность солнечного излучения

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC = 1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле

AM(x) =!, x0 sin#

где x – атмосферное давление, Па; x0 – нормальное атмосферное давление (1,013-105 Па); в – угол высоты Солнца над горизонтом. Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 (в ~ 42 °). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения EC = 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны ? определяется из соотношения

hv=h^2A

X Л где h – постоянная Планка, 6,626196(50)-10″34 Дж-с; с – скорость света, 2,9979250(10)-108 м/с; X – длина волны, мкм. Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6-10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Eg

1,24 ?г = Eg

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона – характеризуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

7. Рассмотрим простейшую конструкцию солнечного элемента на основе монокристаллического кремния. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн . Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн =0 (режим короткого замыкания) и Rн = ? (режим холостого хода).

В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p–n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис. 3.2.2., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Uх.х. . Полярность Uх.х. соответствует прямому смещению p–n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок Iф . Величина Iф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени

Iф = ч*Pu/hv

где q – величина заряда электрона; Рu – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv > Eg создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе ражим короткого замыкания (рис. 3.2.2, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания 1кз равен фототоку

Iкз =Iф.

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» током 1т – прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uх х.

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в р-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с hv « Е либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Т.о., режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.

8. Разделение носителей в барьерном слое приводит к генерации солнечным элементом фототока, соответственно ток через солнечный элемент можно рассматривать как суперпозиции двух токов: темнового и светового. Соответственно для идеального солнечного элемента с электронно-дырочным переходом ВАХ можно записать в следующем виде:

Откуда, если положить ток равным нулю, можно получить выражение для напряжения холостого хода:

Для того  чтобы в нагрузке выделялась максимальная мощность, необходимо чтобы ее сопротивление было согласовано с параметрами солнечного элемента. Максимальная выделяемая в нагрузке мощность P_m будет равна площади максимального прямоугольника, который можно вписать в пространство, охватываемое ВАХ солнечного элемента (см. нижний правый рисунок - кривая 1).

Отношение максимальной мощности в нагрузке к произведению U_ХХ·I_КЗ (площадь охватывающего ВАХ прямоугольника) обозначается FF (fill factor), и называетсякоэффициентом заполнения:

FF = P_m / (U_ХХ·I_КЗ).

К оэффициент полезного действия солнечного элемента, равный отношению электрической мощности в согласованной нагрузке к мощности падающего излучения:

Как видно из приведенной формулы, КПД зависит от вида ВАХ: чем ближе ВАХ к прямоугольной, тем выше КПД.

В реальных солнечных элементах всегда существует включенные последовательно с барьером контактное сопротивление и сопротивление толщи материала, которые можно представить некоторым эквивалентным сопротивлением R_S. С учетом этого сопротивления, шунтирующего сопротивления R_P, а так же генерационно-рекомбинационного тока ВАХ СЭ запишется в следующем виде:

В идеальном случае J₀ = 0, R_P = .

Н аличие последовательного и шунтирующих сопротивлений будет приводить к уменьшению коэффициента заполнения и соответственно к уменьшению выходной мощности (см. верхний рисунок - кривая 2). Эквивалентная схема солнечного элемента представлена на левом рисунке.

На основе этой эквивалентной схемы можно записать уравнение, связывающее параметры солнечного элемента при заданном значении фототока I_L:

9. роизводство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния a-Si:H, арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями: - почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ; - повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон; - высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах; - относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs; -характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна. Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами. Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, высок – ~11 %.

Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

10. Солнечная система теплоснабжения предназначена для эффективного преобразования солнечной энергии в тепловую, и нагрева воды. Солнечная система теплоснабжения обычно состоит из солнечного термального коллектора, системы хранения воды (резервуар или бак) системы контроля и насосной системы. Солнечная система теплоснабжения и домашняя солнечная комбисистема работают на одном и том же принципе, что и солнечные системы нагрева воды. Это как большой центр кондиционирования воздуха, включающий внешний не солнечный источник энергии – электрическую систему нагрева либо центральную систему отопления. Солнечная система теплоснабжения - Применение: Солнечная система теплоснабжения/домашняя солнечная комбисистема – наилучшая солнечная система теплоснабжения для подачи горячей воды на заводах, в больницах, гостиницах, школах и других учреждениях с большими потребностями горячей воде.

11. По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п.).

На рисунке: Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемникявляется самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:  - по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);  - по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);  - по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);  - по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные). 

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами. 

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению. 

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации. Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух). 

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты. 

Основными элементами активной солнечной системы является гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

12. Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала, параболоцилиндры (рис. 4.2.1), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен  строго на Солнце. С  этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях. На рис. 4.2.2 представлена принципиальная  схема жидкостной комбинированной двухконтурной низкотемпературной системы солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя применен антифриз, а в контуре системы отопления – вода

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно,потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты напривод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

13. Солнечные системы отопления могут быть пассивными и активными. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рисунок 3.9)

Рисунок 3.9. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления "стена-коллектор": 1 - солнечные лучи; 2 - лучепрозрачный экран; 3 - воздушная заслонка; 4 - нагретый воздух; 5 - охлажденный воздух из помещения; 6 - собственное длинноволновое тепловое излучение стены; 7 -черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 - жалюзи.

Активные солнечные системы имеют нагреватель, воспринимающий энергию солнечного излучения и отдающий тепло нагреваемым элементам. В качестве нагревателя может использоваться любой материал, а сам нагреватель может быть любой конструкции. Но от этих параметров зависит эффективность всей системы получения тепла, поэтому остановимся более подробно на солнечных коллекторах, устройствах воспринимающих энергию солнечного излучения и преобразующих эту энергию в тепло.

Солнечный коллектор состоит из приемной панели, поглощающей поток солнечного излучения и передающей тепло теплоносителю (жидкости или газу), и сервисной сети (трубопроводы, перекачивающие насосы и т.п.). Для повышения эффективности приемная панель теплоизолирована со всех сторон, при этом сторона, обращенная к солнцу, закрывается прозрачным селективным покрытием (рисунок 3.10)

14. Солнечные абсорберы состоят из тепловоспринимающей панели с каналами, по которым циркулирует теплоноситель. Тепловоспринимающая па- нель не изолируется остеклением со стороны, обращенной к солнцу, а частично и теплоизоляцией с обратной стороны. В связи с этим отпадает необ- ходимость в корпусе, что значительно снижает стоимость данной конструкции по сравнению с солнечными коллекторами. Теплоноситель подается с постоянной температурой на 3-5 °С ниже температуры окружающего воздуха. Охлаждение теплоносителя производится с помощью теплового насоса За счет этого возможно полезное использование не только прямой и рассеянной солнечной радиации, но и теплоты атмосферы, осадков, фазовых превращений при конденсации и инееобразовании на их поверхности. Возможна также утилизация теплопотерь через ограждающие конструкции при совме- щении с ними абсорбера.  Солнечные абсорберы фактически не имеют потерь тепла. Лишь 5-10% падающей на их поверхность солнечной радиации отражается от нее в зави- симости от цвета и качества покрытия. Собственное тепловое излучение аб- сорбера на небосвод и окружающие поверхности также или отсутствует, или абсорбер сам воспринимает длинноволновое излучение небосвода и окру- жающих поверхностей. Абсорберы не требуют очистки от пыли, так как она увеличивает коэффициент поглощения солнечной радиации.  К устройству солнечных абсорберов предъявляются следующие требо- вания: высокие поглотительные свойства поверхности за счет ее структуры, цвета, ориентации, высокие теплопроводность, долговечность (коррозионностойкость), низкая стоимость.  В качестве абсорбционных гелиоприемников чаще всего используются тепловоспринимающие панели двух типов: типа лист-труба и штампованные панели из алюминия к стали. Конструкция типа лист-труба обычно включает металлический лист, к которому привариваются! трубы круглого сечения. Недостатками этой конструкции являются небольшая площадь контакта труб с листом и разрушение их металла при сварке, что приводит к ускорению коррозии в местах сварки. Недостаток второго типа тепловоспринимающей панели – низкая долговечность, так как такая панель быстро коррозирует с внутренней стороны.  Солнечные абсорберы устанавливаются на кровле или могут служить ее конструктивным элементом, а также применяются в виде облицовочных стен, балконных ограждений или элементов ограды. При этом из-за их не- большого веса в отличие от солнечных коллекторов не требуется усиления несущих конструкций. На кровле здания абсорберы монтируются под утлом к горизонту, равным географической широте местности 15°.  Основной недостаток солнечных абсорберов – необходимость под- держания постоянно низкого температурного уровня теплоносителя, из-за чего невозможно его использование для отопления и горячего водоснабже- ния зданий в зимний период. Для повышения потенциала низкотемператур- ного теплоносителя применяетсятепловой насос.

15. Тепловое аккумулирование — это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии.

Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Аккумулирование тепла в различных энергосистемах ориентировано в первую очередь на отопление и горячее водоснабжение. Применение аккумуляторов тепла в водонатрева тельной системе позволяет приспосабливать ее к условиям спроса на горячую воду, изменяющегося в течение суток. Применение различных способов накопления тепловой энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть проблему, обусловленную суточной периодичностью и непостоянством поступления солнечной энергии. Даже в условиях безоблачного неба необходимое количество энергии при соответствующей температуре теплоносителя можно получить только на протяжении нескольких часов до и после полудня. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления помещений, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60 °С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, накапливать ее необходимо в одни периоды суток, а использовать — в другие.

16. Баланс энергии для процесса теплового аккумулирования с использованием сосуда-аккумулятора в общем виде можно записать

Eвх – Eвых = Eак

где Eвх – подведенная энергия, Eвых – отведенная энергия, Eак – аккумулированная энергия. Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме.

Исследование общего уравнения (5.1.2) показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии; в) удельной кинетической энергии; г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды. Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено (сак =0, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения, соответствующие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = pакdVак

где Vак – объем аккумулятора; рак – давление в аккумуляторе, то уравнение преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла:

(и + pv) вхdmвх + dQ – (u + pv) выхdmвых = d(um)ак + pакdVак.

Используя определение энтальпии, имеем

h = u + pv

и, следовательно, энергетический баланс принимает вид

hвхdmвх + dQ – hвыхdmвых = d(um)ак + pак dVак

Соответственно баланс массы запишется как

dmвх – dmвых = dmак

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями приведёнными выше. В простых случаях возможно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особенности это относится к процессу разрядки).

17. В соответствии с принятыми выше определениями и выводами можно провести классификацию аккумуляторов тепла.  1. Аккумулирующая и теплообменная среды  а) Прямое аккумулирование: аккумулирующей и теплообменной является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жид- кой, газообразной или двухфазной (жидкость плюс газ).  б) Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резер- вуара) либо в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Собственно аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость или жидкость – пар).  в) Полупрямое аккумулирование: процесс протекает как в случае б), за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль (например, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).  г) Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способ- ность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением тепла (и поглощением тепла при десорбции газа). Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа  2. Масса аккумулирующей среды. а) Постоянная масса ( 0 = ак dm ): обычно это случай косвенного аккуму- лирования. Однако может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор ( вытеснительное аккумулирование).  б) Переменная масса (0 ? ак dm ): это всегда случай прямого аккумули- рования.  3. Объем аккумулятора. а) Постоянный объем ( 0 = ак dV ): этот случай соответствует аккумули- рованию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах. б) Переменный объем (0 ? ак dV ): этот случай соответствует аккумули- рованию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.  4. Давление в аккумуляторе.  а) Постоянное давление (0 = ак dp ). б) Переменное (скользящее) давление (0 ? ак dp ).

18. Одной из причин ограниченного использования нетрадиционных источников энергии является их нестабильность в работе: отсутствие солнечной энергии и ветра предопределяет периодичность энергоснабжения, а неравномерная скорость ветра и интенсивность солнечного излучения приводит к нестабильности энергетических характеристик.

Благодаря применению надежных и эффективных систем аккумулирования энергии повышается устойчивость энергосистем на основе НВИЭ, при этом обеспечивается не только стабильное и бесперебойное энергоснабжение потребителей, но и повышается коэффициент использования энергетического оборудования за счет накопления пиковой и низкопотенциальной энергии, которая не может быть использована потребителем без соответствующих преобразований.

Основными функциями аккумуляторов энергии в энергосистемах на основе НВИЭ являются:

• обеспечение бесперебойного энергоснабжения потребителей за счет накопления избыточной энергии с последующим ее использованием в периоды отсутствия или недостатка энергии;

• обеспечение оптимального режима работы источников энергии и потребителей за счет выравнивания колебаний в энергосистеме;

• повышение потенциала энергии до необходимого уровня при накоплении низкопотенциальной энергии;

• преобразование энергии одного вида в другой в зависимости от нужд потребителей.

19. Типичная схема активной системы с тепловым аккумулированием энергии для получения горячей воды (рис. 5.4.1) включает первичный контур на антифризе, теплообменник в нижней части аккумулирующего бака и до- полнительный нагреватель в верхней его части. Так как эффективность сол- нечного коллектора снижается с увеличением разности температур первич- ного контура и окружающей среды, температуру первичного контура следует поддерживать на возможно более низком уровне. Для этого следует обеспе- чить небольшой перепад температур в теплообменнике, воспрепятствовать перемешиванию в баке и обеспечить подвод тепла только в самую холодную часть бака.  Рис. 5.4.1. Схема получения горячей воды для бытовых нужд с использованием солнечной энергии: 1 – солнечные коллекторы; 2 – первичный цикл (антифриз); 3 – циркуляционный насос; 4 – аккумулирующий бак; 5 – сол- нечный теплообменник; 6 – подача холодной воды; 7 – дополнительный на- греватель; 8 – линия подачи.  Выбор соотношения между размерами солнечного коллектора и акку- мулятора для кратковременного (горячая бытовая вода) и долговременного (обогрев) аккумулирования – интересная оптимизационная задача. Общий оптимум получается, когда оптимальны характеристики как коллектора, так и аккумулятора. Удельные емкости аккумуляторов для кратковременного аккумулирования обычно составляют 50–100 кг воды на 1 м 2 площади коллектора, а для долговременного аккумулирования в климатических условиях Центральной Европы необходимы значения удельной емкости 1000 кг/м 2 .  Солнечный бассейн, где коллектор и аккумулятор совмещены, является частным случаем аккумулирования с использованием горячего теплоно- сителя (рис. 5.4.2). Солнечная радиация поглощается донной поверхностью бассейна. В теплоносителе создается и поддерживается градиент концентрации соли (концентрация увеличивается с глубиной) между верхним конвек- тивным слоем (под действием ветра) и нижним конвективным слоем (в результате отвода тепла). Благодаря этому конвекция и связанный с ней тепло- отвод к поверхности подавляются, и слой толщиной ~ 1 м, в котором нет конвекции, служит тепловой изоляцией.  Таким способом можно достичь температуры воды 100°С, а 90°С является обычным расчетным значением в зонах с жарким климатом.  Рис. 5.4.2. Схема солнечного бассейна с градиентом концентрации соли: 1 – поверхностный слой воды; 2 – поверхность земли; 3 – выход горячего соляного раствора к потребителю тепла или к теплообменнику; 4 – конвективная (аккумулирующая) область; 5 – возврат холодного соляного раствора; 6 – неконвективный (изолирующий) слой. Были предложены и разработаны системы аккумулирования на основе использования теплоты фазового перехода для зарядки и разрядки воздухом (рис. 5.4.3) или водой (рис. 5.4.4). На рис. 5.4.5 показан вариант теплообменника с оребренными кольцевыми каналами с раздельными контурами зарядной и разрядной сред. Таким образом, теплообменник позволяет проводить одновременно зарядку и разрядку. Каждый теплообменный элемент состоит из внутренней и наружной трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (например, алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода (равную теплоте плавления). В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела. Рис. 5.4.3. Блок солнечных энергоаккумулирующих стержней с 2400 кг СаСl2·6H2O (Tф=27,2 °С) в полиэтиленовых цилиндрах для отопления квар- тиры.    Рис. 5.4.4. Агрегат CALMAC для аккумулирования теплоты фазового пере- хода на Na2S2O3-5H2O или MgCl2-6H2O:  1 – съемная крышка; 2 – двигатель для перемешивания; 3 – вход воды; 4 – гидрат соли; 5 – пластиковый теп- лообменник; 6 – бак; 7 – выход воды.  Рис. 5.4.5. Теплообменник с оребренными кольцевыми каналами для аккумулирования энергии с использованием теплоты фазового перехода: 1 – элемент теплообменного блока: 2 – термоаккумулирующее вещество; 3 – продольное ребро; 4 – горячий теплоноситель; 5 – резервуар (кожух); 5 – холодный теплоноситель для разрядки.  Коллекторы солнечного тепла разделяются на активные и пассивные;  роль последних часто выполняют сами конструкционные детали здания. Такие детали должны обладать прозрачными внешними поверхностями (в виде окон или прозрачных покрытий) и высокой эффективной теплоемкостью Правильно выбранные свойства системы ТАЭ способствуют выравниванию температуры в помещении.  Если такие свойства солнечной системы ТАЭ, как толщина, теплопроводность и теплоемкость коллектора, выбраны правильно, то проходящие через внешнюю поверхность солнечные тепловые потоки могут быть задержаны примерно на 12 ч, что внесет, таким образом, благоприятный вклад в тепловой баланс помещения на режимах как нагрева, так и охлаждения. 

20. Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км.

Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места. В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы.

Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры. Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер.

Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз.

Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы,. называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина отличаются, как это видно на карте, высокой интенсивностью ветрового режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/сек. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/сек), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в указанной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности (двух-трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/сек. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом, а также небольших ветроэлектрических агрегатов.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

21. Основной причиной  возникновения  ветра  является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.

Различные  зоны  страны  имеют  ветровые  режимы,  сильно  отличающиеся  один  от  другого.  Значение  среднегодовой  скорости  ветра  в  данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования  ветродвигателя и  об  эффективности  агрегата. Карта  ветроэнергетических ресурсов России представлена на рисунке 3.1.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина отличаются, как  это видно на карте, высокой интенсивностью  ветрового  режима.  Здесь  среднегодовые  скорости  ветра  превышают 6 м/сек. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/сек), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в

указанной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности (двух-трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/сек. В Арктике и на побережье  наиболее  эффективно  применение  ветроэлектрических  станций,  работающих совместно с тепловым резервом, а также небольших ветроэлектрических агрегатов.

 

 

 

Рисунок 3.1 – Карта ветроэнергетических ресурсов России. Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра:

1 – выше 6 м/сек; 2 –  от 3,5 до 6 м/сек; 3 – до 3,5 м/сек.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

22. Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми. Быстроходностью при этом называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы: − ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn ≤ 2. − ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2. − ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn ≥ 3.

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы: − карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра; − роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:

1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10%, что установлено экспериментальными исследованиями.

2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.

3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя.

У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18%. Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса.

23. Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности.  Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:  mV2/2 ( 6 . 3 . 1 )  Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V , равна:  m=pFV ( 6 . 3 . 2 )  Подставив (6.3.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:  откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа.  Мощность T определяется произведением силы P на скорость V :  T = PV ( 6 . 3 . 4 )  Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.  Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px  Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т. е.:  F – поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.  В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной: Величину E называют коэффициентом использования энергии ветра.  Из уравнения (6.3.10) мы видим, что E зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент E получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю 0 = U , то работа ветра также равна нулю. Если V = U,т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между 0 = U и V = U.  Установлено, чтобы получить максимальное E , поверхность должна перемещаться со скоростью:  U=1/3V ( 6 . 3 . 1 1 )  Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше E = 0,192

24. Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 5.6.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоско­стью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения ло­пасти (рис. 5.5). При этом на ее элементы набегает воздушный поток с от­носительной скоростью W под углом ά, который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу Rраскладывают на силы Рх и Ру (рис. 5.7,а). Силы Рх производят давление в направлении ветра, которое называется лобо­вым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки ά, т.е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает.

25. Теория идеального ветряка, как ее сейчас называют, не создавалась Н.Е. Жуковским специально, а представляет собой вводный параграф к последней из трех статей, посвященных ветрякам, написанных в 1920 году. Внимание к теме ветряков у Жуковского было вызвано предложениями одного изобретателя сулившего огромную мощность от своей ветроустановки. Жуковский имел обыкновение в течение ряда лет вновь и вновь возвращаться к ранее поднятым темам и с присущим ему блеском выяснять суть проблемы до конца. Но последовавшие болезни, смерть любимицы умницы дочери не оставили возможности 73 летнему ученому продолжить работы по данной теме.

    Суть теории в следующем.

 

    Когда поток воздуха набегает на вращающийся ветряк, то скорость потока уменьшается. В плоскости ветряка она равна V_в - v₁, а далеко за ветряком V_в - v₂. Работа, производимая ветром, равна разности кинетических энергий набегающего и отходящего воздуха.

     (3.1.1)

    С другой стороны уменьшение импульса воздушного потока Δp = m₁v₂ = FΔt вызывает силу, воздействующую на лопасти ветряка. Замедленное прохождение воздуха через плоскость ветряка, преодолевающего сопротивление лопастей, вызвано работой, совершаемой ветром.

     (3.1.2)

    Приравнивая 3.1.1 и 3.1.2 и решая, находим

     (3.1.3)

     (3.1.4)

    То есть замедление скорости ветра за ветроколесом в два раза больше замедления скорости в плоскости колеса.

    КИЭВ в данном случае составит величину

 (3.1.5)

    Максимальный КИЭВ достигается при v₁ = 1/3 V_в и составляет

h_max = 16/27 = 0,593

    Данная теория, несмотря на ее сугубую абстрактность, является базовой в теории пропеллерных ветроустановок. Поэтому рассмотрим ее более внимательно. Во-первых, обратим внимание на формулу КИЭВ 3.1.5. Скорость потока в плоскости ветроколеса на треть меньше, чем скорость ветра, следовательно, треть набегающего потока не может пройти сквозь ветроколесо и огибает его снаружи. Поэтому в числителе подставлена масса m₁, т.е. масса воздуха прошедшая через ветроколесо, она на треть меньше полной массы m набегающего воздуха, стоящей в знаменателе. Напомню, что воздух в ветроустановках испытывает столь ничтожные давления, что его можно считать несжимаемым. Повышенное давление перед ветроколесом не может служить резервуаром дополнительных масс сжатого воздуха.

    Воздух, отходящий в дальней зоне за ветроколесом, имеет скорость в одну треть от скорости ветра, следовательно, он уносит девятую часть энергии потока прошедшего сквозь ветроколесо. Произведение двух третей воздуха, прошедшего сквозь колесо на к.п.д. преобразования энергии, равный восьми девятым и составляет найденный КИЭВ 16/27.

    Входящий в формулу 3.1.2 импульс mv₂ позволяет нам сделать важный вывод. Потеря скорости воздухом v₂, а, следовательно, и отдаваемая ветроколесу энергия складывается из двух составляющих. Потери скорости до ветроколеса v₁ и потери скорости после ветроколеса v₂- v₁. До ветроколеса поток теряет треть своей скорости и 5/9 своей энергии, которую передает колесу. После колеса поток теряет еще треть скорости и 3/9 первоначальной энергии. Оставшаяся 1/9 часть энергии уносится отходящим потоком. Понятно, что набегающий поток воздуха создает некое избыточное давление на передней плоскости лопастей, заставляющее вращаться ветроколесо. Поток, находящийся за ветроколесом, может отдать часть своей энергии ветроколесу, оставшемуся позади, только в том случае, если этот поток воздуха, расширяясь, создает разряжение за ветроколесом. Отрицательное давление на задней стороне лопаток увеличивает силу, вращающую ветроколесо. Можно составить уравнения Бернулли и получить те же результаты, что и у Жуковского, оперируя в выкладках понятием давления...

   Надо заметить, что теория идеально ветряка не учитывает влияния нескольких факторов: влияние потока воздуха не прошедшего сквозь ветряк, подсоса воздуха в разряжение создающееся за ветроколесом, вращения отходящего воздуха. Не учитываются потери на трение, индуктивные потери, косину набегающего потока. Эти факторы уменьшают КИЭВ. Отходящий медленный поток воздуха считается уходящим в бесконечность. Граница раздела между быстрым внешним потоком и медленным внутренним имеет нулевое сопротивление на трение, т.к. воздух считается идеальной жидкостью. В реальности внешний, быстрый поток смешивается с внутренней струей, ускоряет ее и создает разряжение, которое передается на заднюю сторону ветроколеса. Поэтому КИЭВ должен быть несколько больше. Кроме того, теория идеальногоо ветряка трубует совершенно определенных значений осевой и вращающей силы, действующих на лопасти. Только при этом условии будет получен максимум мощности. Лопасти же работают по своим собственным аэродинамическим законам. И несовпадение энергетических требований ветряка и аэродинамических возможностей лопастей уменьшают КИЭВ. На практике достигнутый КИЭВ равен 43%.

     Влияние вращения в отходящей струе нельзя решить количественно в рамках теории идеального ветряка. Эти потери зависят от конкретной реализации ветряка и определяются в ходе практического расчета. Жуковский вывел в той же статье необходимые расчетные формулы реального ветряка. Позже, в результате многочисленных экспериментальных исследований, выяснилось, как пишет проф. Ветчинкин В.П., что характеристика реального ветряка лежит выше найденной Жуковским. Сабинин Г.Х. пытался создать собственную теорию идеального ветряка, но получил по мнению Ветчинкина несколько завышенный результат в 0,687.

      Во всем мире данную теорию называют теорией Бетца. Бетц в 1919 году защитил диссертацию, а в 1926 году выпустил замечательную книгу "Энергия ветра и ее использование посредством ветряных мельниц". По воспоминаниям современников в нашей стране вывод идеального КИЭВ впервые сделал в 1914 году Ветчинкин ВП, бывший в то время студентом Жуковского. Скорее всего это студенческое исследование появилось в результате поручения Жуковского. Жуковский любил таким образом побуждать студентов к научной работе. Обнаружить этой работы в Публичной библиотеке в Санкт-Петербурге мне не удалось. Первая письменная работа, посвященная выводу теории идельного ветряка в нашей стране, принадлежит Жуковскому. Датируется февралем 1920 года. Жуковский свой вывод сделал совершенно самостоятельно. Иначе бы он упомянул о Бетце. Николай Егорович был человеком чрезвычайно щепетильным. Петроградский профессор Ботезат Г.А. в 1917 году создал теорию проско-радиального лопастного винта. В теории рассматривались все винты: вентилятора, ветролета, анемомента, тянущий винт. Теорию ветряных мельниц он обещал рассмотреть в следующем издании выпуска, но этого издания не появилось. Шла револющия... Вывод максимального КИЭВ идеального ветряка мало отличается от выкладок при исследовании идеального тянущего пропеллера, которые появились на десятка два лет раньше. Очень вероятно, что подобные расчетные формулы или оценки были получены другими авторами в работах посвященным пропеллеру самолета на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков, просто на них, как не имеющих отношения к авиации, не обратили тогда внимания.

28. Тепловой режим земной коры  Под геотермикой (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов.  Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.  В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород (T ) приближенно может быть определена по формуле  где в t – средняя температура воздуха данной местности; H – глубина, для которой определяется температура; h – глубина слоя постоянных годовых температур; ? – геотермическая ступень.  Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °С.  Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150-200 °С и более.  В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая:  500 м – не выше 20° С, 1 тыс. м – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60° С; 3-4 тыс. м – до 100° С и более. 

30.  Подземные термальные воды (гидротермы)  В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях ман- тии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.  На глубине 50-60 км при давлениях около 3·10в4ст. атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.  В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200° С и выше.  Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные. К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных по- род, куда проникают почвенные воды.  К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С.  В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.  Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород. Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов – так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа.  Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда толькотолько зарождались твердые консолидированные « острова» материковых платформ.  Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.  В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м.  Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быст- ро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам. Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования. Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком счи- тать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.  Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий ( менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные – азот, метан, водород.  В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье. 

31. К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис. 9.3.1). По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.  Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма. К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами – 45-70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.)  Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом – 30-33 °С/км.  Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100-150° С на глубине 3-4 км. Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее перспективными для комплексного использования в практических целях.  Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся данных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных пород. Запасы термальных вод представляют собой общее количество выявленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных горизонтов, имеющих температуру 40-200° С, минерализацию до 35 г/л и глубину залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности. С развитием глубокого бурения на 10-15 км открываются многообе- щающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На таких глубинах в некоторых районах страны (исключая вулканические) температура вод может достигнуть 350° С и выше. Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения (Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах. 

32. Состояние геотермальной энергетики в России Верхне-Мутновская ГеоТЭС Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 Мвт (3х4 МВт) является опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоТЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения Петропавловск- Камчатского промышленного района.  В настоящее время на площадке имеются три эксплуатационные скважины, суммарный дебит пара из которых превышает потребность трех устанавливаемых энергомодулей по 4 МВт с паровыми турбинами. Кроме того, эти энергомодули не полностью используют тепло отсепарированной термальной воды, закачиваемой в пласт с температурой 150°C. В проекте последующих очередей Мутновской ГеоТЭС также не предусматривается использование тепла термальной воды, поэтому с применением только паровых турбин общая мощность ГеоТЭС на Мутновском месторождении не превысит 200 МВт.  Предлагается в течение трех лет разработать и испытать на Верхне- Мутновской ГеоТЭС пилотный двухконтурный аммиачный энергомодуль мощностью 6 МВт, работающий на избыточном паре из существующих скважин и тепле сбросной геотермальной воды, которая будет дополнитель- но охлаждаться до 100°C.  Создание и испытания пилотного образца аммиачного энергомодуля позволит (наряду с наращиванием мощности Верхне-Мутновской станции до 18 МВт) на 40-50% увеличить мощность Мутновской ГеоТЭС при тех же объемах бурения путем совместного применения паровых и аммиачных энергоустановок. При этом себестоимость электроэнергии снижается на 20- 30% за счет более эффективного использования геотермального тепла.  Комбинированные ГеоТЭС – будущее геотермальной энергетики Камчатки  Два крупнейших месторождения парогидротерм Камчатки – разрабатываемое Мутновское и перспективное Нижне-Кошелевское, способные на многие десятилетия полностью обеспечить энергетические потребности региона, расположены в горных местностях с неблагоприятным климатом.  Среднегодовая температура отрицательная, глубина снега до 10 м. Это существенно затрудняет и удорожает строительство и эксплуатацию геотермальных электростанций. Как известно, поступающая из геотермальных скважин пароводяная смесь имеет сложный химсостав. Содержание солей в водяной фазе до 2 г/л, в том числе много кремнекислоты, в паре значительное количество некон- денсирующихся газов, включая сероводород. Это ограничивает возможность глубокого использования теплового потенциала геотермального теплоносителя в традиционном цикле ГеоТЭС с конденсационными паровыми турбинами, не позволяя получать дополнительный пар расширением воды и глубокий вакуум в конденсаторе. Сильный ветер, мороз, обильные снегопады в сочетании с высокой влажностью созда-ют угрозу образования льда в обычно применяемых на ГеоТЭС влажных градирнях, что может привести к останову энергоблоков и даже к разрушению градирен.  На предлагаемых ГеоТЭС комбинированного цикла эти проблемы в значительной степени решаются. Если применить паровые турбины с близким к атмосферному противодавлением и направить отработанный пар в конденсатор, являющийся одновременно парогенератором нижнего контура станции с турбинами на низкокипящем незамерзающем рабочем теле, то суммарную выработку электроэнергии можно значительно повысить за счет снижения температуры отвода тепла из цикла. Конденсация пара низкокипящего рабочего тела осуществляется в воздушном конденсаторе, поэтому полезная мощность станции зимой значительно возрастает вместе с ростом потребности в электроэнергии. Кроме того, нет затрат пара на эжекторы для удаления неконденсирующихся газов, можно также частично использовать тепло геотермальной воды для перегрева пара низкокипящего рабочего тела.  Облегчается зимняя эксплуатация станции, так как нет открытого контакта воды с воздухом (станция "сухая") , а температура воды в теплообменных аппаратах и трубопроводах не опускается ниже 60 °С.  Комбинированные ГеоТЭС уже работают за рубежом, но в районах с тропическим климатом, где их эффективность не может проявиться в полную силу из-за высоких температур воздуха. Для северных районов вышеуказан- ные преимущества таких станций обеспечивают большие перспективы их применения. В проходящем сейчас международном тендере на строительство 

33. роблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем пятимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и труднодобываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды.

С середины нашего века началось изучение энергетических ресурсов океана, относящихся к “возобновляемым источникам энергии”.

Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.

Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.

Минеральные ресурсы

Океан служит источником богатых минеральных ресурсов. Они разделяются на химические элементы, растворенные в воде, полезные ископаемые, содержащиеся под морским дном, как в континентальных шельфах, так и за их пределами; полезные ископаемые на поверхности дна. Более 90% общей стоимости минерального сырья дает нефть и газ.

Общая нефтегазовая площадь в пределах шельфа оценивается в 13 млн.кв.км (около ½ его площади).

Наиболее крупные районы добычи нефти и газа с морского дна – Персидский и Мексиканский заливы. Начата промысловая добыча газа и нефти со дна Северного моря.

Шельф богат и поверхностными залежами, представленными многочисленными россыпями на дне, содержащие металлические руды, а так же неметаллические ископаемые.

На обширных площадях океана обнаружены богатые залежи железномарганцевых конкреций – своеобразных многокомпонентных руд, содержащих так же никель, кобальт, медь и др. В то же время исследования позволяют рассчитывать на обнаружение крупных залежей различных металлов в конкретных породах, залегающих под дном океана.

Термальная энергия

Идея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водами океана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электростанций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные сооружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системах или в свободном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом в паровой машине. Котел, заполненный фреоном или аммиаком – жидкостями с низкими температурами кипения, омывается теплыми поверхностными водами. Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанный пар охлаждается водой из нижележащих холодных слоев и, конденсируясь в жидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемых ОТЭС составляет 250 – 400 МВт...

34. Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан — результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70% поверхности всей планеты и составляетпримерно 360 миллионов квадратных километров. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. Достаточно сказать, что в видимой части спектра (длины волн от 400 до 700 мкм) коэффициент отражения гладкой водной поверхности меньше 5% при высоте Солнца от вертикали не более 40°, в то время как для поверхности суши и морского льда он равен при той же высоте Солнца 10 и 90 % соответственно. Надо иметь в виду, что на видимый свет приходится максимум энергии излучения Солнца. Проникая в толщу океана, солнечное излучение поглощается, за счет чего происходит преобразование энергии излучения в тепловую энергию океана. В океанской воде примерно 65% солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90% — десятиметровым слоем.

В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 метров и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 метров).

Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения (X > 10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° северной широты до 70° южной широтыхарактеризуется примерно одинаковыми значениями:

Длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство -41 Передача тепла атмосфере за счет теплопроводности - 5 Потери на испарение - 54

За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° северной широты в среднем 40% тепла переносится океанскими течениями, а на 20° северной широты вклад океана в перенос энергии составляет до 74%.

Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 метр (около 340-1012 тонн) и около 36 -1012 тонн воды возвращается со стоком рек, ледников. Кроме того, океан пополняется осадками, выпадающими непосредственно на его поверхность. Обратная связь между океаном и атмосферой происходит не только через осадки, но и путем силового взаимодействия, в результате которого часть тепловой энергии, преобразованная в кинетическую энергию атмосферы, возвращается океану в виде энергии волн и ветровых течений. Существует и обратный тепловой поток от атмосферы к поверхности океана в районах, где температура поверхностных вод оказывается ниже температуры воздушных масс в приповерхностном слое.

35. Огромные количества энергии можно получить от морских волн.  Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (1 0 ? T с) волны большой амплитуды (2 ? a м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м. Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны 2 / ? .  Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основные характерные особенности:  ? волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода;  ? движение каждой частицы жидкости в волне является круговым (в то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распро- странении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении);  ? амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной.  ? существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины ? , скорости распространения c, периода T , а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью.  В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости. В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты a , равным амплитуде волны (рис. 12.2.1). Высота волны H от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде ( a H 2 = ). Угловая скорость движения частиц ? измеряется в радианах в секунду. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама вода не перемещается в направлении распространения волны (слева направо). Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространение волнового движения вперед. 

36. В мировой практике наибольший коммерческий интерес вызывают три вида волновых электростанций: поплавковые волновые электростанции, в которых электроэнергия вырабатывается за счет движения плавающего поплавка при поднятии его волной; турбинные волновые электростанции – электроэнергия вырабатывается за счет вращения турбины, которая приводится в действие воздухом, вытесняемым волной из специальной камеры; гидравлические волновые электростанции – электроэнергия вырабатывается за счет движения гидравлических поршней в конвертерах.

Сейчас испытывается множество различных видов прибрежных электростанций [1-4]. Волновая электростанция, в самом лучшем, экологически чистом виде – береговая подводная. Её достоинства очевидны: не занимает акваторий, не мешает морским судам, отдыху людей и обитанию морских животных, простота обслуживания при эксплуатации и высокая надёжность. Но есть и проблемы: большие капиталовложения, воздействие на экосистему при строительстве и, основная, передача энергии волн и ее преобразование в электроэнергию с наименьшими потерями

Волновой преобразователь типа «Oyster» [5]

Авторами проведен обзор вариантов преобразователей энергии морских волн, который охватывает несколько десятков патентов зарегистрированных в США, электронные версии патентов находятся в свободном доступе, глубина обзора – 15 лет. Цели обзора: выявление возможных способов или конструктивных решений при передаче кинетической энергии волн; поиск предложений, позволяющих уменьшить или исключить недостатки, имеющиеся у волнового преобразователя типа «Oyster». Oyster (”Устрица”) – волновая электростанция, которая располагается у береговой линии, на умеренных глубинах порядка 12 м. Огромные поплавки в виде пластин, шарнирно закрепленных к фундаментным плитам, расположенным на дне, раскачиваются волнами и приводят в движение двухсторонний поршневой насос. Насос гонит морскую воду на берег, где она крутит ротор электрогенератора. Вся электрическая система размещается на берегу. Первый недостаток данного волнового преобразователя – эффективное использование возможно только на крупных волнах, когда происходит интенсивное раскачивание рабочих «створок»; вторая – возможность сдвига и разрушения сооружений штормовыми волнами.

В рассмотренных патентах используются следующие варианты преобразования волновой энергии: отклонение подвешенной прямоугольной лопасти, понтона вокруг горизонтальной оси или установленной на дне в вертикальной плоскости лопасти различной формы, в форме весла вращается вокруг вертикальной оси, приводит в движение шток гидроцилиндра; шарнирно закрепленную на дне водоема балку, одним концом, а на другом конце балки находятся лопасти, благодаря которым она вертикально колеблется под действием волны; маятниковые движения, опущенных в воду тел, приводят в движение элементы механизма (тросового, цепного), установленного на понтоне; под действием волн, происходит вращение колес, погруженных в воду и установленных на понтонах; вращательные в горизонтальной плоскости движения стержня, установленного на дне водоема с прикрепленным к нему «хвостом»; расположенное под углом к горизонту плавучее тело (понтон) и соединенный со штоком гидроцилиндра, укрепленного на дне (понтоне на поверхности воды), совершает вертикальные перемещения штока. На основе анализа материалов рассмотренных патентов авторами предлагаются следующие варианты устранения недостатков волнового преобразователя типа «Oyster»: – использование системы «рабочих створок» с разной степенью подвижности и формирование соответствующей возможной системе волн плантации «устриц»; – создание «рабочий створки» с множеством сочленений, раскачивание каждого членения возможно при разной интенсивности волн; – постройка сети «труб» и стен «рабочих створок», таким образом, чтобы под действием волн, при частичной деформации стен, будет приводиться в действие система помп, чтобы создать движение воды в «трубах»; – размещение ряда «устриц» в сужающихся каналах, и расстановка таких оснащенных каналов в двух направлениях движения волн; – расстановка плантаций «устриц» на разно уровневых террасах; – подвешивание «рабочих створок» на опускающихся и поднимающихся поверхностях, укрепленных на береговых конструкциях, молах; – погруженные на разную глубину плавучие тела обтекаемой формы, «обросшие устрицами» с аккумуляторами электроэнергии внутри; – многостворчатая установка на каждый двухсторонний поршневой насос; – телескопическая «рабочая створка» на регулируемых свайных опорах; – оснащение кромки створки вращающимися турбинами (в параллельной или перпендикулярной плоскости), создающие не только электроэнергию, но и упор прижимающий «устрицу» ко дну; – создание системы ориентированных плоскостей, с установленными «рабочими створками», для того, чтобы возникающая система сил (отрывающих «устрицу от поверхности») позволяла всей системе противодействовать сдвигу и разрушению при штормовом волнении; – оснащение «устрицы» системой фиксирующих в горизонтальном положении якорей при максимальном наклонении створки, положение «штормового отстоя»; – установка рабочих створок в монолиты-гиганты

37. Термин энергетическая ферма используется в очень широком смысле, обозначая производство энергии в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, аква-культуры, а кроме того, те виды промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы. Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгодно найти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы энергии и биотоплива.

Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия по выращиванию и комплексной переработке сахарного тростника.

Производство зависит от сжигания отходов переработки тростника, необходимого для снабжения энергией всей технологической цепи. При надлежащей механизации можно было бы получить дополнительную энергию для производства на продажу побочных продуктов (патоки, химикатов, корма для животных, этилового спирта, строительных материалов, электроэнергии). Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию можно использовать для выращивания культур и выполнения транспортных операций.

Развитие энергетики за счет использования сельскохозяйственных культур имеет как достоинства, так и недостатки. Один из наиболее существенных недостатков то, что производство энергии станет конкурировать с производством пищи.

Крупномасштабное увеличение объема производства биотоплива (например, этилового спирта) по этой причине может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов. Второй серьезный недостаток – возможность обеднения и эрозии почв в результате интенсификации выращивания «энергетических» культур. Очевидная стратегия спасения от этих явлений – выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным.

Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа. Энергетический анализ – это определение затрат энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющий выделить технические и технологические аспекты процесса.

На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы агропромышленным методом оказываются достаточно сложными. Однако использование для получения тепла и электроэнергии дешевых отходов биомассы может иметь решающее значение при оценке эффективности того или иного процесса.

38. Энергетические фермы. Этот термин используется в очень широком смысле, обозначая производство топлива (энергии) в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства (поля), лесоводства (леса), аква-культуры (пресные и морские воды), а кроме того, те виды промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы. В табл. 11.1 приведены лишь несколько из почти бесконечного ряда подходящих примеров. Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгодно найти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы и энергии, и биотоплива.

Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия но выращиванию и комплексной переработке сахарного тростника (рис. 11.3).

39. Под этим термином подразумеваются любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. Изначальным сырьем могут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, твердые остатки в виде древесного угля и золы. Традиционная технология получения древесного угля — пиролиз без сбора паров и газов. Газификация это пиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива. Варианты схем ведения пиролиза приведены на рис. 11.5. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху. Получаемое газообразное топливо более удобно в эксплуатации, более экологично и транспортабельно, нежели исходная биомасса. Химические продукты пиролиза пользуются спросом и как ингредиенты процессов последующей переработки, и непосредственно в качестве товарной продукции. Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые в расчете на получение максимального выхода именно газов, а не других продуктов сгорания, принято называть газогенераторами.Протекающие в них процессы относятся главным образом к ииролитическим.

КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания производного топлива к теплоте сгорания используемой в про цессе биомассы. Достигаемый КПД весьма высок: 80 90%. f t t t и fНапример, газогенератор на древесине может до 80% исходной энергии перерабатывать в горючие газы (преимущественно На и СО), пригодные для обычных бензиновых двигателей. Используя этот процесс при производстве электроэнергии, можно достигать более высокой эффективности, чем при использовании паровых котлов. Подобные устройства потенциально пригодны для мелкомасштабной электроэнергетики (менее 150 кВт).

Химические процессы при пиролизе биомассы во многом схожи с теми, что идут при перегонке угля для получения синтетических газов, смол, масел и кокса. Например, до перехода на природный газ (главным образом СП.,) в Европе в больших количествах использовался подававшийся потребителям по трубам светильный газ (И; — -СО), получающийся при реакции разложения воды в присутствии ограниченного количества воздуха:

(11.1)

HsO+C-* Hs+CO; , С + 0₂-^С0₂; СОа+С-*- 2СО. j

Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предвари-

тельно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают (следует в то же время избегать подачи пересушенного материала), измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и па соотношение видов получаемых продуктов, является соотношение воздух - горючее. Проще всего управлять блоком, работающим при температуре ниже 600° С. При более высоких температурах (от 600 до 1000° С) блоком управлять труднее, но количество водорода в вырабатываемом газе увеличивается. При температуре ниже 600° С можно выделить четыре стадии перегонки.

1. 100- 120° С подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги.

2. 275" С — отходящие газы состоят в основном из No, СО и СОг; извлекаются уксусная кислота и метанол.

3. 280- 350° С начинаются экзотермические реакции, в процессе которых выделяется сложная смесь летучих химических веществ (кетоны. альдегиды, фенолы, эфиры).

4. Свыше 350^е С - выделяются все типы летучих соединений; одновременно с образованием СО происходит увеличение образования П;?, часть углерода сохраняется в форме древесного угля', смешанного с зольными остатками.

Конденсированные жидкости, называемые смолами и пиро-лигенными кислотами, могут быть выделены и использованы для получения различных химических продуктов (например, метанола, жидкого топлива). В табл. 11.6 дана соответствующая детализация.300 кг

J Ацетон

140 и^а (нор-

10 465 кДж/м*)

30 кг

Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают меньшей но сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, по отличаются большей универсальностью применения. Некоторые продукты характеризуются значительно более высокой плотностью энергии (например, CH.i имеет 55 МДж/кг). чем исходные. Термин «универсальность» подразумевает лучшую управляемость горением, большее удобство в обращении и транспортировке, более широкий диапазон возможных устройств потребителей, меньшее загрязнение среды при сгорании.