IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

1 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭНЕРГИИ И ЭНЕРГЕТИКЕ

Согласно современным научным представлениям энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии.

Эне́ргия (др.-греч. «ἐνέργεια» – действие, деятельность, сила, мощь) – это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Слово «энергия» введено в науку Аристотелем в трактате «Физика»¹, однако там оно обозначало деятельность человека.

Лейбниц² в своих трактатах 1686 и 1695 годов ввёл понятие «живой силы» (vis viva), которую он определил, как произведение массы объекта и квадрата его скорости (в современной терминологии – кинетическая энергия, только удвоенная).

В 1807 году Томас Юнг³ впервые использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия «живая сила». Гаспар-Гюстав Кориолис⁴ раскрыл связь между работой и кинетической энергией в 1829 году. Уильям Томсон⁵ (будущий лорд Кельвин) впервые использовал термин «кинетическая энергия» не позже 1851 года, а в 1853 году Уильям Ренкин⁶ впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной механической энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную (тяготения) и атомную (ядерную) энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию тела, как сумму кинетической энергии движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

В химии рассматриваются такие величины, как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. Энергия взрыва иногда измеряется в тротиловом эквиваленте.

Кинетической называется энергия механической системы, которая зависит от скоростей движения её точек (частей). Выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Кинетическая энергия определяется разностью между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия является частью полной энергии, обусловленная движением системы.

Потенциальная энергия характеризует запас энергии тела (материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, направленный на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счёт работы сил поля.

Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений.

Электромагнитной называется энергия электромагнитного поля.

Гравитационной называется потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система – система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Ядерная энергия (атомная энергия) – это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и высвобождаемая при ядерных реакциях.

Энергия связи – энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи атомного ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи, она характеризует устойчивость атомного ядра данного химического элемента.

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) – это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории данной системы.

Таким образом, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Химический потенциал – это один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Энергия взрыва – это физический и (или) химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте – мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола⁷ (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Энергия вакуума – энергия, равномерно распределённая в вакууме и вызывающая отталкивание между любыми материальными объектами во Вселенной с силой, прямо пропорциональной их массе и расстоянию между ними. Обладает крайне низкой плотностью.

Условно источники энергии можно поделить на два основных типа: невозобновляемые и возобновляемые (постоянные). К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т.д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС, геотермальную (энергию тепла Земли) и т.д. (табл. 1 и 2)

Таблица 1

Невозобновляемые ресурсы энергии и их величина (Дж)

Вид ресурса	Запасы
Термоядерная энергия	3,6·1026
Ядерная энергия	2·1024
Химическая энергия нефти и газа	2·1023
Внутреннее тепло Земли	5·1020

Таблица 2

Возобновляемые ресурсы энергии и их годовая величина (Дж)

Вид ресурса	Запасы
Солнечная энергия	2·1024
Энергия морских приливов	2,5·1023
Энергия ветра	6·1021
Энергия рек	6,5·1019

Человечеству нужна энергия, причём потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива – урана и тория, из которого можно получить в реакторах – размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива – водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены.

В связи с указанными проблемами становится все более актуальным использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий и развитие энергетики.

Энергетика – это отрасль промышленности и совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Задача энергетики и входящих в нее структур – обеспечение производства энергии путем преобразования первичной энергии топлива во вторичную, например, в электрическую или тепловую энергию.

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путём сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф. Сейчас установлено, что древесина – это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла, теплота сгорания бурого угля равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.

Рассмотрим виды энергетики, используемые в практической деятельности человека. Чаще всего энергетика подразделяется на типы по используемому топливу или источнику энергии. Основные виды энергетики можно подразделить на традиционные и нетрадиционные.

Традиционными направлениями в энергетике являются: тепловая энергетика, гидравлическая энергетика, ядерная энергетика.

Нетрадиционная направлениями в энергетике принято считать: малые гидроэлектростанции, ветровую, геотермальную солнечную энергетику. К ним относятся и биоэнергетические установки, установки на топливных элементах, водородная и термоядерная энергетика.

Рассмотрим проблему использования топлива для электростанций.

Все энергетические структуры, включая электростанции, нуждаются в источнике энергии, чаще всего это специальное сырье.

Самыми популярными видами топлива для электростанций являются: природный и генераторный, коксовый, доменный газ, продукты перегонки нефти, газ подземной газификации, синтез-газ, нефть, бензин, керосин, дизельное топливо (соляровые масла), мазут, торф, бурый и каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, растительное топливо – дрова, древесные отходы, биомасса, древесный уголь, кокс и полукокс, углебрикеты, отходы углеобогащения, ядерное топливо.

Человечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб.

Развитие энергетики связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который, с одной стороны, ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду.

К числу важнейших глобальных проблем относятся:

• рост численности населения Земли и обеспечение его продовольствием;

• обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и природных ресурсов;

• охрана природной среды, в том числе и здоровья человека, от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса.

Такие экологические угрозы, как парниковый эффект и необратимые изменения климата, истощение озонового слоя, кислотные дожди (осадки), сокращение биологического разнообразия, увеличение содержания токсичных веществ в окружающей среде, требуют новой стратегии развития человечества, предусматривающей согласованное функционирование экономики и экосистемы. Потребности современного общества должны удовлетворяться с учётом потребностей будущих поколений. Потребление энергии является одним из важных факторов развития экономики и уровня жизни людей. За последние 140 лет потребление энергии во всём мире возросло примерно в 20 раз, а численность населения планеты – в 4 раза.

С учётом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический Конгресс⁸ прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50–100 % к 2020 году и на 140–320 % к 2050 г.

Кстати, сейчас мало кто знает, что концепцию электрификации нашей страны в апреле 1918 года составил Ленин в статье «Набросок плана научно-технических работ». Детализировал эту идею в работе «Задачи электрификации промышленности» Кржижановский⁹, под началом которого и был разработан план, получивший название ГОЭЛРО¹⁰.

Кроме этого документ включал восемь «записок по планам электрификации районов», в том числе и Туркменского, охватывающего Среднюю Азию. Ставилась задача к 1935 году вдвое увеличить (от уровня 1913 года) суммарную мощность электростанций и в четыре раза больше произвести электроэнергии. При этом увязывались и другие базовые параметры экономики: добыча угля и нефти, а также выплавка чугуна и стали. Такая детализация исключила экономические перекосы, когда, например, ввод шахт не успевал за сдачей в эксплуатацию привязанных к ним мощностей. Результат превзошёл самые смелые ожидания: к 1935 году выработка электроэнергии в СССР достигла 26,3 млрд кВт·ч, в десять раз превысив довоенный уровень царской России. Более того вместо строительства 30 новых районных электростанций, в том числе Волховской, Днепровской, Каширской, Шатурской, Чирчикской в Туркестане, Чусовской на Урале и других, в строй было введено на 10 станций больше. В итоге наша страна стала третьей энергетической державой – после США и Германии.

2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

2.1 Cовременное состояние альтернативных источников энергии

Человечество осуществляет поиск и внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции. Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества.

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные – где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции – на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики – нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

Ни ветер, ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии. В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростанции постоянна и легко реализуется. Решить данную проблему может только строительство огромных хранилищ энергии, для создания резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удорожает всю систему.

Из-за этих и многих других сложностей замедляется развитие альтернативной энергетики. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Эксперты международного венчурного фонда (ВФ) представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5–10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. В настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается.

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они – экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

- Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

- Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

- Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную – постоянно растут;

- Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, – всё это увеличивает социальную напряженность.

- Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

В России сегодня общее потребление топлива составляет около 5 % мирового энергобаланса.

Геологические запасы органического топлива в мире более 80 % приходится на долю угля, который становится все менее популярным. А известные запасы топливных ресурсов к 2100 г. будут исчерпаны. По данным экспертов, в начале XXI в. добыча нефти и природного газа начнет сокращаться: их доля в топливно-энергетическом балансе снизится к 2020 г. с 66,6 % до 20 %. На долю гидроэнергетики приходится всего 1,5 % общего производства энергии в мире, она может играть только вспомогательную роль. Таким образом, ни органическое топливо, ни гидроэнергия не могут решить проблемы энергетики в перспективе.

Что касается ядерной энергии, все известные запасы урана, пригодного для реакторов, действующих на тепловых нейтронах, будут исчерпаны в первом десятилетии XXI в. Создание и эксплуатация АЭС на реакторах – размножителях значительно дороже и не менее безопасны, чем на тепловых нейтронах. От населения до сих пор скрывают не только реальную опасность атомной энергетики, но и ее реальную стоимость. Учитывая все затраты на добычу топлива, нейтрализацию, утилизацию и захоронение отходов, консервацию отработавших реакторов (а их ресурс не более 30 лет), расходы на социальные, природоохранные нужды, то стоимость энергии АЭС многократно превысит любой экономически допустимый уровень.

Что касается электростанций на основе термоядерного синтеза, то, по оценкам специалистов, в ближайшие 50 лет они вряд ли будут технологически освоены, а пагубное тепловое влияние на климат планеты будет не меньшим, чем от ТЭС и АЭС.

К так называемым нетрадиционным источникам энергии относятся: тепло Земли (геотермальная энергия), Солнца (в том числе энергия ветра, морских волн, тепла морей и океанов), а также «малая» гидроэнергетика: морские приливы и отливы, биогазовые, теплонасосные установки и другие преобразователи энергии.

Но только возобновляемые источники энергии, могут представлять реальную альтернативу традиционным технологиям сегодня и в перспективе.

Солнечная энергия. Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5 % этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия.

Ветровая энергия. В России валовой потенциал ветровой энергии – 80 трлн кВт в год, а на Северном Кавказе – 200 млрд кВт (62 млн т усл. топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин технического потенциала органического топлива.

Таким образом, потенциала солнечной радиации и ветровой энергии в принципе достаточно для нужд энергопотребления, как страны, так и регионов. К недостаткам этих видов энергии можно отнести нестабильность, цикличность и неравномерность распределения по территории; поэтому использование солнечной и ветровой энергии требует, как правило, аккумулирования тепловой, электрической или химической. Однако возможно создание комплекса электростанций, которые отдавали бы энергию непосредственно в единую энергетическую систему, что дало бы огромные резервы для непрерывного энергопотребления.

Наиболее стабильным источником может служить геотермальная энергия. Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн т условного топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн тонн условного топлива. Использование только около 0,2 % этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.

Таким образом, альтернативные возобновляемые источники энергии позволяют долгосрочно обеспечить всю страну.

По прогнозу Мирового энергетического конгресса в 2020 году на долю альтернативных преобразователей энергии (АПЭ) придется 5,8 % общего энергопотребления. При этом в развитых странах (США, Великобритании и др.) планируется довести долю АПЭ до 20 % (20 % энергобаланса США – это примерно всё сегодняшнее энергопотребление в России). В странах Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70 % жилищного фонда.

Сегодня в мире действует 233 геотермальные электростанции (ГеоТЭС) суммарной мощностью 5136 МВт, строятся 117 ГеоТЭС мощностью 2017 МВт. Ведущее место в мире по ГеоТЭС занимают США (более 40 % действующих мощностей в мире). Там работает 8 крупных солнечных ЭС модульного типа общей мощностью около 450 МВт, энергия поступает в общую энергосистему страны. Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФАП) достиг в мире 300 МВт·ч в год, из них 40 % приходится на долю США. В настоящее время в мире работает более 2 млн гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии – 8 млн м². В США и в Японии работают боле 5 млн тепловых насосов. За последние 15 лет в мире построено свыше 100 тыс. ветроустановок с суммарной мощностью 70 000 МВт (10 % энергобаланса США). В большинстве стран приняты законы, создающие льготные условия как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного внедрения.

Состояние АПЭ в России. В 1990 году на долю АПЭ приходилось приблизительно 0,05 % общего энергобаланса, в 1995 году – 0,14 %, в 2015 году – 0,5–0,6 % энергобаланса страны. Всего в России 1 ГеоТЭС (Паужекская, 11 МВт), и то технологически крайне неудачная, 1 приливная ЭС (Кислогубская, 400 кВт), 1500 ветроустановок (от 0,1 до 16 кВт), 50 микроГЭС (от 1,5 до 10 кВт), 300 малых ГЭС (2 млрд кВт·ч), солнечные ФЭС (в сумме приблизительно 100 кВт·ч), солнечные коллекторы площадью 100 000 м², 3000 тепловых насосов (от 10 кВт·ч до 8 МВт·ч).

В России ведутся работы по созданию электростанций на возобновляемых источниках энергии. Так, летом 2013 года в селе Яйлю Турочакского района Республики Алтай началась эксплуатация автономной дизель-солнечной электростанции мощностью 100 кВт. В дневное время электроснабжение ведётся за счёт фотоэлектрических батарей, в ночное – от аккумулятора и дизельного электрогенератора. Этот проект интересен автономностью, опыт которого позволит надежно электрифицировать отдалённые поселения.

Самой большой солнечной электростанцией в России считается «Каспийская», проектная мощность которой оценивается в 5 МВт. Помимо энергии солнца используется и сила ветра, в частности, Куликовская (Зеленоградская) ВЭС, построенная в Калининградской области, имеет мощность 1 МВт·ч и состоит из 21 ветрогенератора.

В нашей стране требует проработки правовая база для внедрения АПЭ, требуются стимулы для развития этого направления. В стране отсутствует отрасль, объединяющая все разрозненные разработки в единый стратегический замысел. В концепции Минтопэнерго АПЭ отводится третьестепенная, вспомогательная роль.

Добыча топлива. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) – сложная межотраслевая система добычи и производства топлива и энергии (электроэнергии и тепла), их транспортировки, распределения и использования. От развития ТЭК во многом зависит динамика, масштабы и технико-экономические показатели общественного производства, в первую очередь – промышленности. Вместе с тем приближение к источникам топлива и энергии – одно из основных требований территориальной организации промышленности.

Для ТЭК характерно наличие развитой производственной инфраструктуры в виде магистральных трубопроводов (для транспортировки нефти и нефтепродуктов, природного газа, угля) и высоковольтных линий электропередачи. ТЭК связан со всеми отраслями народного хозяйства, он использует продукцию машиностроения, металлургии, связан с транспортным комплексом. В сфере ТЭК занято более 2 млн человек, функционирует более 200 крупных компаний.

Топливно-энергетический комплекс является базой развития российской экономики, инструментом проведения внутренней и внешней политики, за счёт ТЭКа формируется более 50 % бюджета страны.

Топливно-энергетический комплекс тесно связан со всей промышленностью и экономикой страны. На его развитие расходуется более 20 % денежных средств. На ТЭК приходится 30 % основных фондов и 30 % стоимости промышленной продукции России. Он использует 10 % продукции машиностроительного комплекса, 12 % продукции металлургии, потребляет 2/3 труб в стране, даёт больше половины экспорта РФ и значительное количество сырья для химической промышленности. Его доля в перевозках составляет треть всех грузов по железным дорогам, половину перевозок морского транспорта и всю транспортировку по трубопроводам.

Таким образом, с топливно-энергетическим комплексом напрямую связано благосостояние всех граждан России.

2.2 Актуальность применения альтернативных источников энергии

Энергосбережение на данный момент является актуальной проблемой не только в нашей стране, но и во всем мире. В понимании обычного потребителя энергосбережение – это денежная экономия, а если рассматривать этот вопрос на глобальном уровне, то это, прежде всего, экономия ресурсов, безвредное производство и сокращенные затраты на проекты по строительству электростанций.

К альтернативным источникам энергии относятся возобновляемые источники – энергия солнца, ветра, геотермальная, океаническая, энергия биомассы, термоядерная энергия и другие источники. В качестве примера альтернативного источника энергии рассмотрим ветроэлектростанции (ВЭУ).

Несмотря на доступность и экологическую чистоту ветровой энергии, ветроэлектростанции имеют как ряд преимуществ, так и ряд недостатков. Преимущества очевидны: в первую очередь, экологичность и мобильность установки. А к недостаткам можно отнести неровный выход энергии, сильный шум, вызывающий вибрацию инфразвук, возможные помехи для приёма телесигнала. Но если на данный момент проблемы шума, вибрации уже решены западными разработчиками, то остается еще один важный фактор – это стоимость самой ветроэлектростанции, её обслуживание и сфера применения.

История альтернативных источников энергии. Солнечная энергия. Часто говорят, что новое – хорошо забытое старое. Как ни странно, к солнечной тепловой энергии эти слова тоже относятся. Раскопки археологов показали, что в стенах бань и некоторых других построек Древнего Рима были проложены каналы, по которым проходил теплый воздух от нагреваемой солнечным излучением части зданий и создавал комфортную температуру во всех помещениях.

Солнце – гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2·10³⁰ кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объём в 1,3 млн раз больше объёма Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м³. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6·10²⁴ Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.

Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1 м² поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м² на севере до 21,4 МДж/м² в пустынях и тропиках (за один год на Землю приходит 10¹⁸ кВт·ч солнечной энергии, всего 2 % которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2·10¹² тонн условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами – 6·10¹² т условного топлива).

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Ещё в 212 г с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса римского флота.

Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский¹¹ в 1912 году во второй части своей книги: «Исследования мировых пространств реактивными приборами»¹². Он писал: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».

У нас есть не только Земля, но и весь необъятный Космос, ресурсы которого разнообразны и неисчерпаемы. Оптимисты уверены – наступит время, когда все наиболее энергоемкие и вредные для людей и других живых организмов производства будут располагаться в космическом пространстве, а Земля – необычайно красивая и ухоженная «колыбель разума» – станет использоваться только для отдыха, лечения и некоторых безвредных для окружающей среды научных исследований.

Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком климате Средней Азии рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т.д.

В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 °С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо¹³ продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 х 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м² и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

В 1890 г. профессор В.К. Церасский¹⁴ в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Способ получения электроэнергии из солнечного света известен более ста лет. Явление фотоэлектричества впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839 г. Проводя серию экспериментов по электричеству, он погрузил два металлических электрода в проводящий раствор и подвергал установку воздействию солнечного света. Между электродами возникло небольшое электрическое напряжение. Появление в начале 50-х годов солнечных элементов, разработанных в лаборатории Белла, произвело революцию в электронной промышленности. Космическая индустрия была бы без них практически беспомощна. Легкие солнечные генераторы энергии позволили совершенно по-иному подойти к проблеме создания искусственных спутников Земли. Кроме того, солнечная энергия может использоваться в солнечных домах.

Солнечные установки могут быть предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Солнечные энергетические установки способны сэкономить дорогостоящее минеральное топливо, благодаря разумному использованию энергии солнечного излучения.

В конце 80-х годов наиболее распространенными предметами личного обихода, в которых использовалась солнечная энергия, были «солнечные кухни». Даже существовали специальные портативные солнечные кухни, которые можно было брать с собой в морское путешествие или в экскурсию в горы (производили Франция, Швейцария). В это же время в Японии были созданы электрические панели, солнечные фотоаппараты, радиоприемники, портативные солнечные батареи, солнечные светильники.

В префектуре Агава, в городе Нои появилась солнечная тепловая электростанция, производящая электроэнергию.

В 1979 г. был создан первый лёгкий одноместный самолет, оснащенный солнечными батареями, который назывался «Солар Челленджер» и был изготовлен в США, благополучно пересек морской пролив между Францией и Англией, Кроме того, на электрическом автомобиле с солнечными батареями был совершен автопробег через весь материк Австралии.

Солнечная энергетика в России. Солнечная энергетика в нашей стране имеет большой потенциал, но пока не реализованный на практике в полной мере. Наибольшим потенциалом для солнечной энергетики обладает Краснодарский, Ставропольский край, Магаданская область и Якутия. По статистике без централизованного электроснабжения сегодня в России проживает около 10 млн человек. Одним из положительных примеров использования энергии солнца является солнечная электростанция, расположенная в Белгородской области (Яковлевский район, хутор Крапивенские дворы) номинальной мощностью 0,1 МВт.

Ветровая энергия. «Ветер …он слишком непостоянен и не поддается контролю» писал К. Маркс. Впервые энергия ветра была использована, по-видимому, для передвижения парусных судов, а позднее – для подъёма воды и размола зерна. Считается, что в Китае, Японии и Тибете первые ветряные двигатели были построены более 2 тысяч лет назад. Древние вавилоняне использовали их для осушения болот. В Египте и на Ближнем Востоке строили ветряные водоподъёмники и мельницы.

В России в связи с началом электрификации была организована работа по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). Уже в 1930 г. была спроектирована, а в 1931 г. сооружена в Крыму первая в мире ВЭС Д30 мощностью 100 кВт. Станция проработала до 1942 г. и давала энергию в электрическую сеть «Севастопольэнерго». В 1956 г. было произведено более 9 тысяч ветродвигателей.

За рубежом наиболее широкое применение ветроустановки нашли в Австралии, Новой Зеландии, Латинской Америке, Греции и др.

Ветер – один из наиболее мощных энергетических источников, который при благоприятных условиях может быть широко использован в народном хозяйстве. Он возникает вследствие постоянной циркуляции перемещения воздушных масс в атмосфере, вызванной неравномерным нагревом солнцем земной поверхности. Ветер – даровой энергетический источник. Поэтому у некоторых бытует мнение, что и энергия, полученная с помощью ветродвигателей тоже практически «дешевая». Особенность ветра как энергетического источника заключается в его непостоянстве, большой изменчивости скорости, а отсюда и энергии (в силу ряда метеорологических факторов (возмущение атмосферы, изменение солнечной активности и количество тепловой энергии, поступающей на землю), а также из-за влияния рельефных условий в данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону). Развитие ветроэнергетики путем строительства ВЭС зависит от того, как быстро удастся снизить стоимость и металлоемкость двигателей, повысить их надежность. Для этого применяются железобетонные опоры, неметаллические лопасти, легированная сталь и легкие сплавы. Чтобы ВЭС стали выгоднее конкурирующих установок капиталовложения в их строительство нужно снизить на 25–30 %.

Большое государственное значение имеет экономия минерального топлива и охрана окружающей среды от загрязнений.

В числе причин, обусловивших стремление к расширению использования энергии ветра:

- быстрый рост потребности в энергии при ограниченных запасах жидкого и твердо топлива и потенциальных гидроэнергетических ресурсов;

- резкое повышение цен на минеральное топливо;

- большие капиталовложения при сооружении тепловых и гидравлических электростанций (возрастают с учетом затрат на передачу энергии, которые весьма значительны потому, что приходиться обеспечивать энергией все более удаленные от линий передач, рассредоточенные и менее мощные потребителей);

- расширение возможностей использования угля, нефти и газа (в химической промышленности для получения синтетических материалов);

- значительные достижения в области аэродинамики и механики, самолетостроения и химии, электротехники и др. позволяют создать более совершенные и экономичные ветроагрегаты.

Наиболее широко ветроустановки могут применяться в сельском хозяйстве для зарядки аккумуляторных батарей, опреснения минерализованных вод, откачки воды для питьевых нужд, аэрации водоёмов.

Кроме того, электрические ветроустановки малой мощности, наряду с зарядкой аккумуляторов, могут питать энергией маяки и бакены, защищать от коррозии газа – и нефтепроводы. Автономные ВЭС, работающие изолированно, могут использоваться ограниченно и только для питания энергией водоподъёмных и мелиоративных установок.

Установки предохраняют от замерзания в зимнее время поверхность водоемов, используемых для скота. Также существуют районы, где в хозяйствах ветроустановки экономичнее использовать (пустыни, полупустыни, засушливые зоны).

В России эксплуатируются ветрогенераторы ветропарк «Куликово», размещенный под Калининградом. Его мощность составляет 5 мвт. В ближайшее время планируется увеличить мощность в четыре раза. Кроме того, энергию ветра используют ВЭС Тюпкильды (Башкортостан), Марпосадская (в Чувашии) и Калмыцкая ВЭС. Работают автономно: Анадырская, Заполярная, Никольская и Маркинская ветряные электростанции. Небольшие ветроустановки сегодня устанавливают для обеспечения коттеджных поселков и небольших промышленных предприятий. Распределение скорости ветра в России (рис. 1).

Рисунок 1 – Распределение скорости ветра в России

Биотопливо. Биомасса – это органические вещества, сохранившие в себе энергию Солнца, благодаря процессу фотосинтеза.

Источниками топлива из биомассы являются наземная и водная растительность, отходы сельскохозяйственного и лесозаготовительного производства, муниципальные отходы и отходы животноводства. Она образуется в ходе работы пищевой цепочки. В первоначльном виде существует в форме растений, затем передается травоядным животным, а если их съедят – то и плотоядным. Человек тоже ест растения и животных.

Биомасса характеризуется способностью к возобновлению, низкой ценой, небольшим объемом выбросов, исключением повышения содержания СО₂ в атмосфере, неэкономичностью транспортировки на большие расстояния и сильной тенденцией образования нагара и шлака при сжигании.

Этот вид энергии имеет большие преимущества перед другими видами, поскольку он относительно дешевый и практически безвреден для окружающей среды. Естественно, что это не могло остаться незамеченным и многие страны уже активно занимаются исследованиями в этой области:

Россия. В Белгородской области весной 2005 г. прошли первые испытания тепловоза с дизельным двигателем, адаптированным и работающем на рапсовом масле. Уже в 2006 г., все тепловозы, приписанные к местной железной дороге, рассчитывают перевести на топливо из рапса.

Большие надежды за рубежом возлагают на получение энергии из биомассы, содержащей различные сахара, путём её сбраживания с получением спирта (этанола). В Бразилии разработана национальная программа использования этанола, полученного из сахарного тростника, для замены почти четверти потребляемого в стране бензина. Уже сегодня около 10 % продаваемого там бензина содержит 10 %-ную добавку этанола, что заметно снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Масштабная программа замены бензина этанолом, получаемым при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур, осуществляется и в США. На долю так называемого газохола (смеси бензина с этанолом) уже приходится около 10 % топливного рынка страны. Причем, как заключили американские эксперты, если спирта в бензин добавлять не больше 8 %, то нет нужды даже в перенастройке карбюраторов или инжекторов.

Использование спирта в качестве топлива на транспорте получило широкое распространение во Франции и Швеции.

Биогаз в России. Биогаз образуется в результате разложения любых органических отходов. Этот продукт брожения состоит из метана и углекислого газа с небольшими примесями других веществ. Для получения природного топлива углекислый газ удаляют. В качестве сырья может использоваться любая биомасса: свекольный жом, отходы мясокомбината и рыбоперерабатывающего цеха, навоз, скошенная трава и опавшая листва, а также бытовые и фекальные отходы (список можно продолжить). Объём органических отходов в нашей стране ежегодно достигает 620–630 млн т. С помощью этих отходов можно получить до 30 млн м³ газа, сжиганием которого можно произвести до 70 ГВт электроэнергии. Электростанции в России используют биогаз, выделяемый из торфа, растительных и древесных отходов. За последнее десятилетие появилось множество предприятий, производящих биогазовые установки.

Геотермальная энергия Земли. Геотермальная энергетика – производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах Земли.

Востребованность геотермальной энергии обусловлена следующими факторами:

- истощением запасов органического топлива;

- зависимостью большинства развитых стран от импорта топлива (в основном импорта нефти и газа);

- существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.

Всё же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать, ее достоинства и недостатки.

Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

- месторождения геотермального сухого пара – сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС используют тепло этих источников;

- источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) – встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени ее засоленности);

- месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) –представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

- сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) – их запасы энергии наиболее велики;

- магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность её использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры):

- для нужд горячего водо- и теплоснабжения;

- для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трёх целей.

Кроме того, следует отметить:

- её практическую неиссякаемость;

- полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Альтернативная энергетика в России может основываться на использовании тепловой энергии земных недр. Запасы геотермальной энергии нашей страны более, чем в 10 раз превышают запасы угля. Эти богатства зачастую лежат, в буквальном смысле, на поверхности: геотермальные источники Камчатки с температурой до 200 °С на глубине всего лишь 3,5 км могут обеспечить работу не одной мини-электростанции. Есть места, где вода выходит на поверхность: это существенно облегчает доступ к её энергии. Геотермальная энергетика России начала своё развитие в 1966 году: именно тогда была построена первая такая электростанция. Сегодня с помощью камчатских источников можно вырабатывать около 300 МВт электроэнергии, реально используется лишь 25 %. Геотермальные воды островов Курильской гряды обладают потенциалом в 200 МВт: этого достаточно для полного обеспечения электроэнергией всего региона. Но не только Дальний Восток привлекателен для развития геотермальной энергетики: большим потенциалом обладает Ставропольский край, Кавказ, Краснодарский край. Температура подземных вод здесь достигает 125 °С. Недавно геотермальное месторождение обнаружено в Калининградской области, что также может быть использовано на практике (рис.2).

Рисунок 2 – Энергоресурсы России. Геотермальная энергия.

3 СХЕМА И РАСЧЁТ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

3.1 Схема солнечной электростанции

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких плёнок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10–12 %).

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50–100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

Рассмотрим примеры схем солнечной электростанции с автономным обеспечением объекта (с аккумуляторами) (рис. 3).

Рисунок 3. – Принципиальная схема солнечной электростанции с аккумуляторами с автономным обеспечением объекта

Источником электроэнергии в данной схеме являются только солнечные батареи. Через зарядное устройство они подключаются к аккумуляторам, в которых происходит запасание электроэнергии.

К аккумуляторам также подключен инвертор, а через него происходит электропитание потребителей. Такая схема может быть полезна в тех случаях, где постоянное электроснабжение некритично.

Солнечная батарея (с аккумуляторами) и коммутация с электросетью (рис. 4).

Рисунок 4 – Принципиальная схема солнечной электростанции с аккумуляторами и коммутацией с электросетью

Данная схема лишена некоторых недостатков предыдущей (рис. 3). В случае отсутствия питания с солнечной батареи включится электропитание через электросеть. Схему можно использовать и наоборот – для резервного питания в случае пропадания мощности в сети. Коммутацию обеспечивает АВР (автоматический ввод резерва).

Солнечная батарея (с аккумуляторами) и резервный дизель-(бензо-генератор) (рис. 5).

Схема выглядит так:

Рисунок 5 – Солнечная батарея с аккумуляторами и резервный дизель-бензо-генератор

Данная схема может быть полезна в том случае, когда нет возможности подключения к электросетям. В таком случае в качестве резерва выступает дизель-генератор, который включается АВР автоматически в случае пропадания мощности в солнечном контуре. Кроме этого, происходит подзарядка аккумуляторной станции.

Солнечная батарея (без аккумуляторов) и коммутация с сетью. Схема выглядит так (рис. 6):

Рисунок 6 – Солнечная батарея (без аккумуляторов) и коммутация с сетью

Гибридная автономная система «солнце-ветер». Схема выглядит так (рис. 7):

Рисунок 7 – Гибридная автономная система «солнце-ветер»

Данная схема позволяет подключить ветрогенератор и создать полностью автономную систему. Когда есть солнце, обычно редко дует сильный ветер. И наоборот, когда есть сильный ветер – редко светит солнце. А ещё ветер может дуть ночью. Поэтому такая система позволяет организовать практически бесперебойной питания за счёт возобновляемых источников энергии.

Для резервирования можно подключить еще АВР и дизель-генератор, тогда система будет практически полностью бесперебойной.

Каждый из представленных подходов можно комбинировать.

Принципиальные схемы электрические солнечных электростанций.

Рисунок 8 – Принципиальная схема солнечной электростанции

Рисунок 9 – Схема солнечной электростанции

Так выглядит принципиальная электрическая схема модели солнечной электростанции, изготовленной автором. В модели использован гелиевый герметичный аккумулятор с напряжением 6 В и током 4,5 А, самодельный инвертор рассчитан на напряжение 6 В. Солнечная панель 5 В и ток 0,5 А, расчётная мощностью 2,5 Вт).

Выработка электроэнергии при помощи электростанций на солнечных батареях в настоящее время используется практически во всем мире и масштабы использования электроэнергии солнечных батарей все время растут. Этому способствуют множество факторов, основными из которых являются использование альтернативных (возобновляемых) источников энергии, которые в последнее время приобретают всё большую актуальность и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, благодаря чему срок их службы практически не ограничен. Электростанции на солнечных элементах совершенствуются. Сегодня они могут использоваться как дополнительные источники электроснабжения, работающие совместно с другими или полностью быть автономными.

Рассмотрим возможность расчёта автономной солнечной электростанции.

Для расчёта автономной солнечной электростанции требуется определение номинальной мощности солнечных модулей, их количества, ёмкости аккумуляторных батарей, мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда. При этом необходимыми данными для расчёта мощности автономной солнечной электростанции являются: географическое расположение, суммарная мощность и примерное время работы каждого потребителя электроэнергии.

Данные вопросы в доступных источниках освещены недостаточно полно, поэтому разработка методики расчёта мощности автономных солнечных электростанций и её элементов, является актуальной задачей.

Основными понятиями являются:

Основными комплектующими АСЭС являются:

1) Солнечная батарея (СБ) – несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей – полупроводниковых фотоэлементов –устройств, преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

2) Контроллер заряда – устройство, являющееся промежуточным звеном между СБ и аккумуляторной батареей (АКБ), служит для контролироля зарядки-разрядки АКБ.

3) Аккумуляторная батарея – составной элемент СЭС, служит для накопления и отдачи электрической мощности.

4) Инвертор напряжения – устройство, позволяющее трансформировать постоянное напряжение в переменное 220 В, с частотой 50 Гц.

Рассмотрим подробнее методику расчёта АСЭС поэтапно.

Необходимые технические параметры светильника представлены в табл. 3.

Таблица 3

Технические параметры светильника

№	Тип светильника	Потребляемое напряжение (В)	Мощность светильника (кВт)
1	Светодиодный «Е-ССП-Страда-А»	220В (±10 %) / 50 Гц	0,048

3.2 Методика расчёта осветительной нагрузки

При проектировании АСЭС рассчитывается активная суммарная мощность осветительной нагрузки по формуле:

в данном случае считаем, что светодиодных светильников –12 шт.

12∙0,048 = 0,576 кВт.

Количество электроэнергии необходимое для осветительных устройств в сутки находится по формуле:

2)

W = 0,576∙9=5,184кВт∙ч,

где t – время работы осветительных устройств (время работы 9 часов).

Выбор величины напряжения постоянного тока системы

Величина напряжения системы подбирается исходя из значения мощности потребителей переменного тока. Если мощность потребителей переменного тока не превышает 1 кВт, то выбирается напряжение системы 12 В. В том случае, если мощность потребителей превышает мощность 1 кВт, выбирается напряжение системы 24 В. При мощности потребителей больше 3,5 кВт выбирается напряжение системы 48 В.

В целях уменьшения потерь электроэнергии выбираем напряжение АКБ 48 Вольт.

Выбор автономного инвертора напряжения

Выбор инвертора напряжения производится по суммарной пиковой мощности осветительной нагрузки (с запасом по мощности примерно в 2 раза больше, т.е. 0,576·2 = 1,152 кВт, округляем до 1,2 кВт).

Технические параметры инвертора напряжения приведены в табл. 4.

Таблица 4

Технические параметры инвертора напряжения

Тип инвертора напряжения	Входное постоянное напряжение (В)	Выходное переменное напряжение	Мощность (кВт)
NS-1200-S	48	220	1,2

Выбор и расчёт солнечных батарей

Для расчёта автономной солнечной электростанции выбираются поликристаллические СБ. Технические параметры СБ приведены в табл. 5.

Таблица 5

Технические параметры СБ

Тип СБ	Мощность СБ (кВт)	Напряжение СБ (В)	Количество СБ(шт)
Exmork ФСМ-200П	0.200	48	4

Количество электроэнергии, вырабатываемой одной солнечной батареей в сутки, находится по формуле:

Wсб=1,5 0.200 5=1,5 кВт ч/сутки

где К – коэффициент солнечной инсоляции характеризующий дневную сумму солнечной радиации, кВт·ч/м² при горизонтальной площадке для г. Вольска;

– среднее время работы СБ в сутки;

– мощность одной СБ.

Расчёт необходимого количества солнечных батарей для работы солнечной электростанции находится по формуле:

т.е. необходимо 4 солнечных панели мощностью по 0.200 кВт

Округляем значение до целого и уточняем мощность вырабатываемой системой солнечных батарей по формуле;

1,5 или 6000 Вт/сутки.

Расчёт ёмкости и выбор аккумуляторных батарей

Требуемое значение ёмкости АКБ находится по формуле:

где – значение, учитывающее потери на зарядку – разрядку аккумуляторов находится по формуле (4);

C₁= (6000/48) 0,3 = 37,5

где U – постоянное напряжение АКБ;

– коэффициент потерь на зарядку – разрядку аккумуляторов;

(К1 – коэффициент потерь на зарядку – разрядку аккумуляторов, преобразование постоянного напряжения в переменное, обычно принимают равным 1,2–1,4).

Определяем по формуле (6):

Округляем значение ёмкости АКБ в большую сторону и принимаем стандартное значение С = 200

Данные АКБ сведены в табл. 6.

Таблица 6

Данные АКБ

Тип АКБ	Ёмкость АКБ (	Количество, шт
GX12-100	100	2

Расчёт контроллера заряда

АКБ типа GX12-100 заряжается током 10–12 % от номинальной ёмкости. Тогда ток заряда АКБ находится по формуле:

Выбираем два контролера заряда АКБ типа TS-MPPT-20 А. Данные контроллера СБ сведены в табл. 7.

Таблица 7

Данные контроллера СБ (в данном случае используются 2 контролера на напряжение 24 В, но можно 1, рассчитанный на такой же ток и на напряжение – 48 В).

Тип контроллера СБ	Ток заряда АКБ, А	Рабочее напряжение, В
TS-MPPT-20	20	24

Таким образом, в данной работе сделана попытка разработки методики поэтапного расчёта АСЭС, включающая:

- расчёт осветительной нагрузки, количество электроэнергии, потребляемое в сутки;

- выбор оптимального постоянного напряжения системы;

- выбор инвертора переменного напряжения;

- выбор и расчёт необходимой мощности СБ;

- выбор и расчет ёмкости АКБ;

- выбор и расчёт контроллера СБ.

Заключение

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы прямо или косвенно больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. Традиционные источники энергии по-прежнему занимают ведущее положение в мировой электроэнергетике. Однако за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти всё дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить всё дороже. Кроме того, природные ресурсы ограничены, и, в конце концов, человечество будет вынуждено перейти сначала на повсеместное использование атомной энергии, а потом полностью на энергию ветра, Солнца и Земли.

При помощи альтернативной энергии уже сейчас можно существенно преуменьшить вероятность парникового эффекта и ликвидировать все экологически неблагоприятные районы за счёт использования чистой альтернативной энергии.

Литература

1. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: учебник. – М.: Мир, 1988.

2. Пустовалова Л.М. Общая химия: учебник / Л.М. Пустовалова, И.Е. Никанорова. – Ростов н/Дону: Феникс, 2005.

3. Шефтер И.Я. Использование энергии ветра: учеб. пособие. – М.: Энергия, 1975.

4. Поедем на биотопливе // Экология и жизнь. – 2006. – № 5. – С. 54.

5. Хлопоты вокруг выхлопов // Экология и жизнь. – 2006.

6. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. – 1975.

7. Поедем на биотопливе // Экология и жизнь. – 2006.

8. Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии и энергосбережение (Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассыы). – СПб: Наука и техника, 2014.

9. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991.

10. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. – Ташкент: Фан, 1988.

11. Дверняков В.С. Солнце – жизнь, энергия. – Киев: Наукова думка, 1986.

12. Колтун М.М. Солнце и человечество. – М.: Наука, 1981.

13. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

14. Непорожний П.С., Попков В.И., Энергетические ресурсы мира. – М.: Энергоатомиздат, 1995.

15. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997.

16. Митрофанов С.В. Переносная солнечная электростанция с автономной системой слежения за солнцем // С.В. Митрофанов, А.Ю. Немальцев. Труды VII Всеросс. научно-техн. конф. «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». – Оренбург, 21–23 октября 2014, С. 40–44.

17. Методика расчёта солнечных электростанций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: http://cyberleninka.ru/article/n/metodika-rascheta-moschnosti-solnechnyh-elektrostantsiy.

18. Helios-house [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.helios-house.ru/kak-raschitat-solnechnuyu-elektrostantsiyu.html.

19. Mos-invertor [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.mos-invertor.ru/spr5.html.

20. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986–1990 годы и на период до 2000 г. – М.: изд-во «Правда», 1985.

1^ Физика (греч. Φυσικά) – фундаментальный трактат Аристотеля, заложивший основы физики как науки (в доклассическом, доньютонианском смысле). Трактат состоит из 8 книг. Физика впервые рассматривается не как учение о природе (греч. Φύση), а как наука о движении (греч. κίνησις), категория которого подразумевает время, пустоту и место.

2^ Го́тфрид Ви́льгельм Ле́йбниц (21 июня 1646 – 14 ноября 1716) – саксонский философ, логик, математик, механик, физик, юрист, историк, дипломат, изобретатель. Основатель и первый президент Берлинской Академии наук, иностранный член Французской Академии наук.

3^ То́мас Юнг (13 июня 1773, Милвертон, графство Сомерсет – 10 мая 1829, Лондон) – английский физик, механик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света.

4^ Гаспар-Гюстав Кориолис (21 мая 1792 – 19 сентября 1843) – французский математик, механик и инженер. Больше всего известен работой, посвящённой изучению эффекта Кориолиса. Также известен теоремой об ускорениях в абсолютном и относительном движениях, называемой теорема Кориолиса.

5^ Уи́льям То́мсон, барон Ке́львин (26 июня 1824 года, Белфаст, Ирландия – 17 декабря 1907 года, Ларгс, Шотландия) – британский физик и механик. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики.

6^ Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин) (англ. William John Macquorn Rankine, 5 июля 1820, Эдинбург – 24 декабря 1872, Глазго) – шотландский инженер, физик и механик, один из создателей технической термодинамики.

7^Тринитротолуо́л (2,4,6-тринитротолуол, 2,4,6-тринитрометилбензол, тротил, тол, TNT) – одно из наиболее распространённых бризантных взрывчатых веществ. Представляет собой желтоватое кристаллическое вещество с температурой плавления 80,85 °C (плавится в очень горячей воде).

8^ Всемирный Энергетический Конгресс получил своё признание после первого мероприятия, проведенного в 1924 г. в качестве глобального форума для лидеров индустрии, на котором обсуждались проблемы энергетики, демонстрировались передовые технологии и расширялись возможности для развития бизнеса.

9^Глеб Максимилиа́нович Кржижано́вский (12 (24 января) 1872, Самара – 31 марта 1959, Москва) – деятель революционного движения в России, советский государственный и партийный деятель; учёный-энергетик, академик и вице-президент АН СССР.

10^ГОЭЛРО́ (сокр. от Госуда́рственная комиссия по электрифика́ции Росси́и) – государственный план электрификации РСФСР после Октябрьской революции 1917 года, разработанный Государственной комиссией по электрификации России по заданию и под руководством В.И. Ленина, одобренный VIII Всероссийским электротехническим съездом[1], созваный декретом Совета народных комиссаров. План ГОЭЛРО с рядом замечаний и дополнений был принят Советом Народных Комиссаров, который принял 21 декабря 1921 г. постановление «О плане электрификации России».

11^ Константи́н Эдуа́рдович Циолко́вский (пол. Konstanty Ciołkowski 5 (17) сентября 1857, Ижевское, Рязанская губерния, Российская империя – 19 сентября 1935, Калуга, РСФСР, СССР) – русский и советский учёный-самоучка и изобретатель, школьный учитель. Основоположник теоретической космонавтики. Обосновал использование ракет для полётов в космос, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» – прототипов многоступенчатых ракет. Основные научные труды относятся к аэронавтике, ракетодинамике и космонавтике.

12^ Циолковский К.Э. Исследование мировых пространств реактивными приборами. Часть I-я. Научное обозрение. Ежемесячный научно-философский и литературный журнал. Под ред. М. Филиппова. № 5, май. СПб., Типография Э.Л. Пороховщиковой, 1903. С. 45–75.

13^ Мушо, Огюст, солнечная печь стала первым объектом экспериментов Мушо, имевших место в 1860 году. В 1866 году Мушо создал первый параболический солнечный коллектор.

14^ Витольд Карлович Цераский (27 апреля (9 мая) 1849, Слуцк – 29 мая 1925) – российский (советский) астроном, член-корреспондент Петербургской АН (с 1914 г.).

Код для цитирования: Скопировать