5 МСТУ 13.11.20 Урок № 4 Енергоефективність

 

Урок № 4      13.11.2020    5 МСТУ    Енергоефективність

 

Тема уроку: Альтернативні види енергії. Енергія Сонця і вітру.

 

Вчені застерігають: розвіданих запасів органічного палива при нинішніх темпах зростання енергоспоживання вистачить усього на 70-130 років. Звичайно, можна перейти і на інші поновлювані джерела енергії. Наприклад, вчені вже багато років намагаються освоїти керований термоядерний синтез. Сьогодні поговоримо про зелену енергетику.

 

 

1 Вітрова енергія

   Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри - від легкого вітерцю, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, що приносять незліченну утрату і руйнування. Завжди неспокійний повітряний океан, на дні якого ми живемо. Вітри, що дмуть на просторах нашої країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії! Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території - від наших західних кордонів до берегів Єнісею. Багаті енергією вітру північні райони країни вздовж узбережжя Північного Льодовитого океану, де вона особливо необхідна мужнім людям, обживали ці багатющі краї. Чому ж настільки рясний, доступний та й екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується? У наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії.

   За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі дорівнює +1200 ГВт, однак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути досить великою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтоване вертикальний перетин, досягала значення, прийнятного для перетворення. Вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку складає близько 500 Вт/м ²  (швидкість повітряного потоку при цьому 7 м/с), може перетворити в електроенергію близько 175 з цих 500 Вт/м ² .

Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Однак не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання (КПІ) енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3%. На практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний коефіцієнт корисного використання енергії вітру рівний приблизно 50%, проте і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості, передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється з ККД зазвичай 75-95%. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність, що видається реальним вітроенергетичний агрегатом становить 30-40% потужності повітряного потоку за умови, що цей агрегат працює стійко в діапазоні швидкостей, передбачених проектом. Однак іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низькою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високою, що вітроагрегат необхідно зупинити та вжити заходів щодо його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частина отримання електричної енергії вітру не використовується, з тим щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці фактори, питома вироблення електричної енергії протягом року становить 15-30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місця розташування і параметрів вітроагрегата.

  Новітні дослідження направлені переважно на отримання електричної енергії з енергії вітру. Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин привело до появи на світ безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, з часом вони могли б утворити справжню електричну мережу. Малі вітроелектричні агрегати призначені для постачання електроенергією окремих будинків.

    Споруджуються станції переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить в рух динамо-машину - генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з'єднані акумулятори. Акумуляторна батарея автоматично підключається до генератора в той момент, коли напруга на його вихідних клемах стає більше, ніж на клемах батареї, і також автоматично відключається при протилежному співвідношенні.

  У невеликих масштабах спеціальні станції знайшли застосування кілька десятиліть тому. Найбільша з них потужністю 1250 кВт давала струм в мережу електропостачання американського штату Вермонт безперервно з 1941 по 1945 р.  Однак після поломки ротора досвід перервався - ротор не стали ремонтувати, оскільки енергія від сусідньої теплової електростанції обходилася дешевше. З економічних причин припинилася експлуатація вітроелектричних станцій і в європейських країнах.

  Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно постачають струмом нафтовиків; вони успішно працюють у важкодоступних районах, на далеких островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів і електростанцій загального користування. Американець Генрі Клюз в штаті Мен побудував дві щогли і зміцнив на них вітродвигуни з генераторами. 20 акумуляторів по 6 В і 60 по 2 В служать йому в безвітряну погоду, а в якості резерву він має бензиновий движок. За місяць Клюз отримує від своїх вітроелектричних агрегатів 250 кВт · год енергії; цього йому вистачає для освітлення всього господарства, живлення побутової апаратури (телевізора, програвача, пилососа, електричної друкарської машинки), а також для водяного насоса і добре обладнаній майстерні.

  Широкому застосуванню вітроелектричних агрегатів у звичайних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість. Навряд чи потрібно говорити, що за вітер платити не потрібно, однак машини, потрібні для того, щоб запрягти його в роботу, обходяться занадто дорого.

   Зараз створено найрізноманітніші прототипи вітроелектричних генераторів (точніше, вітродвигунів з електрогенераторами). Одні з них схожі на звичайну дитячу вертушку, інші - на велосипедне колесо з алюмінієвими лопатями замість спиць. Існують агрегати у вигляді каруселі або ж у вигляді щогли з системою підвішених один над одним кругових вітрозловлювачів, з горизонтальною або вертикальною віссю обертання, з двома або п'ятдесятьма лопатями.

   У проектуванні установки найважча проблема полягала в тому, щоб при різній силі вітру забезпечити однакове число обертів пропелера. Адже при підключенні до мережі генератор повинен давати не просто електричну енергію, а тільки змінний струм із заданим числом циклів в секунду, тобто зі стандартною частотою 50 Гц. Тому кут нахилу лопатей по відношенню до вітру регулюють за рахунок повороту їх навколо поздовжньої осі: при сильному вітрі цей кут гостріше, повітряний потік вільніше обтікає лопаті і віддає їм меншу частину своєї енергії. Крім регулювання лопатей весь генератор автоматично повертається на щоглі проти вітру.

   При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітряну погоду і нестача її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти про запас енергію вітру? Найпростіший спосіб полягає в тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну і генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи і проекти: від звичайних, хоча і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стисненого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як палива. Особливо перспективним видається останній спосіб. Електричний струм розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати в топках теплових електростанцій у міру потреби.

 

2. Енергія Сонця

 

 Майже всі джерела енергії, про які ми досі говорили, так чи інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ не що інше, як" законсервована" сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті тривалих процесів перетворилися. Сонце щороку дасть людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.

  У всіх приведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Заманливо було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворювати теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію. Всього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а за 1 с - 170 млрд. Дж. Велику частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земній поверхні. Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частини, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така" нікчемна" величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.

 Згідно з легендою Архімед, перебуваючи на березі, знищив ворожий римський флот під Сиракузамі. Як? За допомогою запальних дзеркал. Відомо, що подібні дзеркала робилися також в VI столітті. А в середині XVIII сторіччя французький натураліст Ж. Бюффон провадив досліди з великим увігнутим дзеркалом, що складається з безлічі маленьких плоских. Вони були рухливими і фокусували в одну точку відображені сонячні промені. Цей апарат був здатний в ясний літній день з відстані 68 м досить швидко запалити просочене смолою дерево. Пізніше у Франції було виготовлено увігнуте дзеркало діаметром 1,3 м, у фокусі якого можна було за 16 секунд розплавити чавунний стрижень. В Англії ж відшліфували велике двоопукле скло, з його допомогою вдавалося розплавляти чавун за три секунди і граніт - за хвилину.

   В кінці XIX століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О. Мушо демонстрував інсолятор - по суті перший пристрій, перетворювати сонячну енергію на механічну. Але принцип був тим же: велике увігнуте дзеркало фокусувало сонячні промені на паровому котлі, який приводив у рух друкарську машину, що робила по 500 відбитків газети на годину. Через кілька років в Каліфорнії побудували діючий за таким же принципом конічний рефлектор в парі з паровою машиною потужністю 15 к. с.

 І хоча з тієї пори то в одній, то в іншій країні з'являються експериментальні рефлектори-нагрівачі, а в публікованих статтях все голосніше нагадують про невичерпність нашого світила, рентабельніше вони від цього не стають і широкого розповсюдження поки не отримують: занадто дороге задоволення це дармове сонячне випромінювання.

 Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми розташовуємо двома можливостями: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах. Реалізація обох можливостей поки знаходиться в зародковій стадії. У значно ширших масштабах сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал - для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т.д.

  Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.

  Простий пристрій такого роду-плоский колектор; в принципі це чорна плита, добре ізольована знизу. Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, масло, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т.п. Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в нім значно вища (па 200-500 ° С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його услід за Сонцем дуже важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.

  Більш складним і дорожчим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому об'ємі біля певної геометричної крапки - фокусу. Відбивна поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної підстави. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця, це дозволяє збирати можливо більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі

дзеркальних колекторів досягає 3000 ° С і вище.

  Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреби в матеріалах, а отже, і в трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт на рік електричної енергії за допомогою сонячної енергетики знадобиться затратити від 10 000 до

40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин.

  Поки що електрична енергія, породжена сонячним промінням, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на дослідних установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми. Але, тим не менш, станції-перетворювачі сонячної енергії будують і вони працюють.

  З 1988 року на Керченському півострові працює Кримська сонячна електростанція. Здається, самим здоровим глуздом визначено її місце. Вже якщо де і будувати такі станції, так це в першу чергу в краю курортів, санаторіїв, будинків відпочинку, туристських маршрутів; в краю, де треба багато енергії, але ще важливіше зберегти в чистоті довкілля, саме добробут якої, і насамперед чистота повітря, цілюще для людини.

  Кримська СЕС невелика - потужність всього 5 МВт. У певному сенсі вона - проба сил. Хоча, здавалося б, чого ще треба пробувати, коли відомий досвід будівництва геліостанцій в інших країнах.

На острові Сицилія ще на початку 80-х років дала струм сонячна електростанція потужністю 1 МВт. Принцип її роботи теж баштовий. Дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на 50-метровій висоті. Там виробляється пар з температурою більше 600 ° С, який приводить в дію традиційну турбіну з підключеним до неї генератором струму. Незаперечно доведено, що на такому принципі можуть працювати електростанції потужністю 10-20 МВт, а також і набагато більше, якщо групувати подібні модулі, під'єднуючі їх один до одного.

  Кілька іншого типу електростанція в Алькеріі на півдні Іспанії. Її відмінність в тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне тепло приводить в рух натрієвий круговорот, а той вже нагріває воду до утворення пари. У такого варіанту ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує не тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надлишкову енергію для роботи в похмуру погоду і вночі. Потужність іспанської станції має всього 0,5 МВт. Але на її принципі можуть бути створені куди більші - до 300 МВт. В установках цього типу концентрація сонячної анергії настільки висока, що ККД паротурбінного процесу тут нітрохи не гірше, ніж на традиційних теплових електростанціях.

   На думку фахівців, найбільш привабливою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.

 Для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт · год (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС) при к.к.д. 10% зажадала б ефективної поверхні близько 500000 м ². Ясно, що таке величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.

  Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі - в першу чергу для живлення телефонних мереж в НЕ електрифікованих районах або ж для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і т.п.). Напівпровідникові сонячні батареї вперше були встановлені на третьому радянському штучному супутнику Землі (запущеному на орбіту 15 травня 1958).

  Йде робота, йдуть оцінки. Поки вони, треба визнати, не на користь сонячних електростанцій: сьогодні ці споруди все ще відносяться до найбільш складним і найдорожчим технічним методам використання геліоенергіі. Потрібні нові варіанти, нові ідеї. Нестачі в них немає. З реалізацією гірше.

 

 

Домашнє завдання. Вивчити матеріал. Написати невелике повідомлення на тему «Розвиток сонячної і вітрової енергетики в Україні».

Викладач               Максимова Т. В.