Курсовая работа: Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь

Курсовая работа: Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ИНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Производственные технологии»

На тему:

Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в республике Беларусь

Проверил: профессор Пустовалов В.К.

Выполнила: слушатель группы 2020812

Турина Ю.А.

Минск 2008

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

1.2 Тепловые гелиоустановки

2. Биоэнергетика

2.1Общие сведения

2.2 Биомасса - аккумулятор солнечной энергии

2.3 Фотосинтез на службе энергетики

2.4 Время и место получать энергию из когенерационных установок

3. Гидроэнергетика в Беларусии

3.1Общие сведения

3.2 Описание работы гидроэлектростанций

3.3 Гидроэлектростанции и жизненная среда

4.Ветроэнергетика

4.1 Общие сведения

4.2 Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок

4.3 Ветряные мельницы на службе человека

4.4 Как хранить энергию ветра?

4.5 Перспективы использования энергии ветра в агропромышленном комплексе Республики Беларусь

5.Сравнение возобновляемых топливно-энергетических ресурсов

Заключение

Приложение

Литература

Введение

Под нетрадиционными (альтернативными или возобновляемыми) топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) понимают энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, биомассы, сточных вод и твердых бытовых отходов. Энергообъекты, использующие альтернативные ТЭР для получения тепловой, механической и электрической энергии, называют альтернативными источниками энергии.

Основной особенностью возобновляемых источников энергии является то, что воспроизводство их энергетического потенциала происходит быстрее, чем расходование. Установки, работающие на возобновляемых источниках, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии. Государственная программа Республики Беларусь на период до 2020 г. предусматривает использование нетрадиционных источников энергии в нарастающих масштабах. С учетом природных условий республики предпочтение отдается малым гидроэлектростанциям, ветро- и биоэнергетическим установкам, установкам для сжигания отходов растениеводства и бытовых отходов, гелиоводоподогревателям. В Государственной программе потенциал экономии традиционных (ископаемых) ТЭР за счет использования альтернативных источников энергии к 2020 г. оценивается примерно в 5 млн. т у. т. (более 15 % от всех ТЭР). В отличие от многих других мероприятий использование альтернативных ТЭР дает реальную, легко учитываемую экономию топлива и социальный эффект. Альтернативные источники энергии зачастую не требуют транспортирования, удобны для локального энергоснабжения небольших удаленных объектов, что особенно важно для агропромышленных комплексов (АПК). При выборе источников энергии следует иметь в виду их качество, оценивающееся долей энергии, которая может быть превращена в механическую работу. Возобновляемые источники энергии по их качеству условно делятся на три группы:

—      источники механической энергии довольно высокого качества: около 30% - ветроустановки, 60% - гидроустановки, 75% - волновые и приливные станции;

—      источники тепловой энергии с качеством не более 35% - прямое или рассеянное солнечное излучение, биотопливо;

—      источники энергии, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления, имеют различное качество на разных частотах излучения; в среднем КПД (коэффициент полезного действия) фотопреобразователей составляет примерно 15%. Далее, характеризуя возможности различных возобновляемых энергетических ресурсов (ЭР), уделим особое внимание целесообразности их развития и использования в энергобалансе республики.

1. Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

Для всей территории республики поступление солнечной энергии составляет около 208∙1012 кВт∙ч в год или 256∙109 т у. т. при планируемом потреблении в 2020 г. всех видов ТЭР (топливно-энергетические ресурсы) 32,8∙106 т у. т. Это в 7800 раз превышает потребность нашей республики в энергоресурсах и говорит о больших потенциальных возможностях гелиоэнергетики. На нашей планете за счет естественных процессов и производственно-хозяйственной деятельности человека происходит преобразование солнечной энергии в другие виды. Общая схема этих процессов приведена на рис. 1.

Рис.1. Преобразование солнечной энергии.

Способы утилизации солнечной энергии можно разделить на три большие группы:

1)прямое преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую;

2)непрямое преобразование — использование энергии ветра, морских волн, океанских течений, температурного перепада океанов и т. д.;

3)биологическое преобразование — сжигание биомассы, газификация городских и сельскохозяйственных отходов и т. д.

Для территории Беларуси свойственна относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение её в течение суток и года. В этой связи необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потребностей Беларуси в электроэнергии при современном технологическом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200-600 км2, то есть 0,1 – 0,3 % площади республики. Появились предложения об использовании территории Чернобыльской зоны для строительства площадок солнечных и ветровых электростанций. Для нашей республики реально использование солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъёма и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тысяч тонн условного топлива в год (тыс. т у. т. / г.). В республике начат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некоторый опыт в их эксплуатации.

Тепловая энергия Механическая энергия Электрическая энергия

Электрическая энергия

Тепловая и электрическая энергия Синтетическое топливо Тепловая энергия Биогаз

Мускульная энергия

 

1.2 Тепловые гелиоустановки

Наиболее простым способом использования солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является ее преобразование в тепловую энергию. Тепловая гелиоустановка включает в себя:

—      приемник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию;

—      передающее устройство с теплоносителем;

—      теплоаккумулятор и другие элементы.

 В качестве приемника используют коллекторы различных типов и конструкций. В основе функционирования плоского коллектора лежит парниковый эффект. Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100 оС, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела. Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надежного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором. Концентрирующие коллекторы используют в случаях, когда требуется получить температуру нагрева более 100 оС. Объемные коллекторы используют солнечное излучение для нагрева больших объемов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Для объектов АПК использование тепловых гелиоустановок очень перспективно. Установка небольшой мощности с площадью коллектора до 10 м2 способна обеспечивать горячей водой отдельно стоящий сельский дом с семьей 4 - 5 человек с апреля по октябрь. В отопительный период применение таких установок, а также объемных коллекторов, позволит существенно снизить затраты топлива для отопления здания.

2. Биоэнергетика

 

2.1Общие сведения

Биоэнергетика — это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере. Биомасса — общая масса растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади или объема их обитания. Численно она выражается в массе сырого или сухого вещества (кг/м2; кг/га; кг/м3 и т. д.). Биомассу растений называют фитомассой, животных организмов — зоомассой. В Государственной программе вопросам использования фитомассы, коммунальных отходов, отходов растениеводства, получения биогаза, топливного эталона и биодизельного топлива в качестве возобновляемых ТЭР уделяется серьезное внимание. Общий годовой объем использования в Республике Беларусь этих энергоресурсов к 2010 г. оценивается примерно в 113 тыс. т у. т., а потенциальный запас составляет более 3,7 млн. т у. т. Эти цифры не учитывают использование древесного топлива, отходов деревообработки и лигнина в качестве топлива, потенциальный запас которых оценивается примерно в 7,58 млн. т у. т. Годовое использование к 2010 г. этих видов энергоресурсов планируется в объеме около 3,1 млн. т у. т. [10].

Рис.2. Система биоэнергетики

 

2.2 Биомасса - аккумулятор солнечной энергии

В республике Беларусь разрабатываются идеи использования биомассы растений, выращиваемых специально для энергетических целей, или сельскохозяйственные отходы и отходы других производств, используемых в качестве источника энергии, особенно для производства жидких топлив, а также для выработки электроэнергии. В качестве биотоплива для обогрева, например, парников, давно используются соломинистый навоз, растительные остатки, торф, древесные опилки. Биомасса является важным источником для получения химических продуктов (глицерола, фурфурола, сорбитола, манитола). По мере увеличения стоимости нефтехимического сырья растет интерес к использованию в качестве сырья биомассы. В некоторых случаях спирт, полученный путем ферментации зерна, конкурирует с синтетическим спиртом, произведенным из этилена.

Системы производства и использования биомассы имеют следующие преимущества:

·  способность к накоплению энергии для использования ее в любое удобное время;

·   возобновляемость;

·  опора на уже имеющуюся в наличии технологию при минимуме капитальных затрат;

·  возможность их создания с помощью наличных ресурсов рабочей силы и материалов;

·  умеренные цены;

·  экологическая безвредность и безопасность;

·  не увеличивается количество атмосферного углекислого газа.

Вместе с тем эти системы имеют и свои проблемы, а именно:

·  конкуренция со стороны других вариантов использования земель;

·  потребность в земельных площадях;

·  неопределенность в отношении эксплуатационных показателей на начальной стадии;

·  потребность в удобрениях, почве и воде.

Системы биомассы принесут существенные выгоды в области развития сельского и лесного хозяйств, улучшения структуры землепользования и разработки технологии биоэнергетики. Существуют различные энергетические способы переработки биомассы:

·  биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная или аэробная переработка, биофотолиз);

·  термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);

·  агрохимические (экстракция топлива).

С помощью биохимического способа энергию получают из осадков сточных вод, городских отходов и твердых отходов жизнедеятельности животных. Для переработки отходов сельскохозяйственного производства и, прежде всего, навоза и навозных стоков животноводческих предприятий, особенно актуален анаэробный процесс. При анаэробном метановом сбраживании навоза решаются три важные задачи. Первая состоит в том, что производится хороший энергоноситель — биогаз, который даже без очистки от примесей имеет энергосодержание от 20 до 25 МДж/м3 (в среднем принимается 23 МДж/м3). Второй полезный эффект — экологический. В сброженной массе оказываются практически обезвреженными семена сорняков и в значительной степени ликвидируются болезнетворные микроорганизмы. Третий выигрыш заключается в том, что после анаэробной обработки получают высокоэффективное органическое удобрение повышенной биологической активности. При этом его удобрительная ценность по сравнению с традиционными формами переработки (отстаивание и естественная аэрация, компостирование) даже улучшается, т. к. потери основных питательных веществ (N, Р, К) невелики. Переработка навоза осуществляется в биогазовых установках (БГУ). Например, в Беларуси уже 30 лет назад существовала такая установка на станции аэрации в г. Минске в микрорайоне Шабаны. Принципы, лежащие в основе работы биогазовых установок, очень просты. Органические отходы разлагаются в закрытых реакторах под воздействием метаногенных бактерий, образуя метан, используемый для приготовления пищи и освещения. При этом в качестве ценного побочного продукта получают удобрение. Существует три режима брожения — психрофильный (Т = 15...25 °С), мезофильный (Т = 30...40 °С) и термофильный (Т = 45...55 °С). В процессе анаэробного брожения степень разложения органического вещества навоза не превышает 47 %. Удельный расход энергии на получение 1м3 биогаза для термофильного режима равен 5,5 кВт∙ч, что в 1,5 раза превышает энергозатраты для мезофильного режима (3,7 кВт∙ч/м3).

Упрощенная схема БГУ приведена на рис. 3

Исходное

сырьё

Выход

газа

Рис. 3. Упрощенная схема БГУ: 1 — сборник сырья;

2 — мешалка-гомогенизатор; 3 — теплообменник-утилизатор; 4 — метантенк; 5 — мешалка; 6 — теплообменник-подогреватель; 7 — газгольдер; 8 — водогрейный котел; 9 — навозохранилище.

При использовании теплообменника с коэффициентом утилизации теплоты в пределах от 0,3 до 0,5 энергозатраты для термофильного режима можно уменьшить до уровня мезофильного. При этом время обработки навозных стоков при термофильном режиме — 5...8 суток, а при мезофильном - до 20 суток, так как метантенк для работы в термофильном режиме имеет меньший объем. Он менее материалоёмкий, его проще теплоизолировать и механизировать. Для выработки высокого качества биогаза применяют биоэнергетические установки с дополненными элементами очистки получаемого биогаза от углекислого газа и соединений серы до состояния практически чистого метана. Биогаз с успехом можно получать в метантенке БГУ путем анаэробного разложения фитомассы. В качестве исходного сырья здесь может использоваться льнокостра, древесные опилки, соломенная резка и другие отходы растениеводства, а также масса специально выращенных растений или водорослей. Основная причина, сдерживающая широкое внедрение БГУ на животноводческих фермах и комплексах нашей республики, — это большие капитальные затраты на строительство, что обуславливает большой срок окупаемости БГУ (4...8 лет) и высокую себестоимость биогаза. В настоящее время ведутся исследования по повышению технологичности процесса метанового брожения, а также в направлении получения и использования новых, более эффективных штаммов микроорганизмов, обеспечивающих быстрое и эффективное разложение органических соединений в этом процессе. Термохимические способы предусматривают применение процессов пиролиза и газификации, а также прямого сжигания. Эффективным процессом энергетического использования растений, является пиролиз, при котором органическое вещество нагревают до 500 °С и в качестве конечного продукта получают жидкое или газообразное топливо. Продукты пиролиза, как энергоносители, более универсальны и экологичны, чем исходный материал. При агрохимическом способе происходит экстракция топлива. В табл. 1 приводится перечень видов топлива, получаемых в результате переработки биомассы.

Таблица1. Упрощенная сводка данных о процессах, продуктах и потребителях продукции, получаемой в результате биологического преобразования под воздействием солнечных лучей.

Ресурсы	Процессы	Энергоносители	Потребители
Сухая биомасса древесина и ее отходы	Сжигание	Теплота, электроэнергия	Промышленность, бытовой сектор
	Газификация	Газообразные топлива (метанол)	Промышленность, транспорт
		Водород, аммиак	Химическое производство
	Пиролиз	Нефть, смола, газ	Промышленность, транспорт
	Гидролиз и перегонка	Этанол	Транспорт, химическое производство
Жидкая биомасса (сточные воды и водные живые организмы)	Анаэробная ферментация	Метан	Промышленность, бытовой сектор
Сахар (соки, целлюлоза)	Ферментация и перегонка	Этанол	Транспорт, химическое производство
Вода	Фотохимичес-кие фотосинтез, катализифотосинтез,	Водород	Промышленность, химическое производство, транспорт
Мусор	Сжигание	Теплота	Промышленность, бытовой сектор

Между перечисленными процессами существуют многочисленные взаимные связи. Новый подход в развитии сельского хозяйства характеризуется минимальным уровнем потерь энергетических и минеральных ресурсов, сокращением потребления химических удобрений и пестицидов, гораздо большим разнообразием выращиваемых культур, использованием аквакультуры и, самое важное, применением биотехнологии в масштабах домашнего хозяйства, деревни и целой отрасли промышленности. Таким образом, утилизация сельскохозяйственных отходов с помощью процессов ферментации или биологического преобразования, не требующих использования топлива, может способствовать более полному удовлетворению потребностей в энергии.

2.3 Фотосинтез на службе энергетики

Фотосинтез — древнейшая и наиболее известная биохимическая реакции на планете. Нынешний интерес к овладению фотосинтезом для нужд прогресса и развития является существенным показателем давления — экономического, экологического, энергетического, технологического. В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2∙1011 т (тонн) углерода с энергосодержанием 3∙1021 Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством за год продуктах питания. Фотосинтез — это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез является ключевым процессом жизни на Земле. Можно упрощенно представить его следующим образом:

                              растения

Н2О + СО2  ____________________ органические вещества + О2

                    солнечная энергия

Растения являются средоточием двух реакций, от которых зависит жизнь на Земле: расщепления воды видимым светом на кислород и водород и ассимиляция С02 в органические соединения. Растения отличает очень высокая приспособляемость и огромное разнообразие видов; поэтому они неопределенно долго на возобновляемой основе могут снабжать нас продовольствием, волокном, топливом и химическими продуктами. В настоящее время многие лаборатории изучают принципиальную возможность выращивать и использовать растения для выработки энергии. В первую очередь речь идет о таких сельскохозяйственных культурах, как сахарная свекла. При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо его выход составляет около 79 кг с 1 т свеклы. Энергосодержание этанола около 34 МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500 ц/га можно получить до 4 т этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га. Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидностью фитомассы, является древесина. Ее сжигание — традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина — "чистое" топливо (серы менее 0,02 %, азота — около 0,12 %, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений). Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола — хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности.

QA= - 0,196σ + 19,7,

где Qд — удельная теплота сгорания древесины, МДж/кг; σ — относительная влажность, % [7]. Сразу после заготовки древесины ее влажность составляет около 50 %. При этом Qд = 8... 12 МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20...25 %, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10... 15 МДж/кг. Коэффициент полезного действия современных котлов для сжигания древесины находится в пределах от 80 % (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90 % и выше при сжигании древесных чурок и брикетов. Для сравнения — у газовых котлов КПД равен 90...95 %, а при наличии теплоутилизатора — до 98 %. В Беларуси изучается финский опыт, где в 2004 г. на древесной щепе работали 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе Финляндии древесина составила 20 %. Наша страна обладает большими запасами леса — около 40 % территории. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива. Альтернативными традиционному топливу из нефти могут стать биодизельное топливо и этанол. Наша республика имеет хорошие возможности для освоения и широкого использования технологий производства этих энергоносителей. Общий потенциал производства биодизельного топлива и этанола на топливо оценивается в 1 млн. т у. т. в год, а при активном инвестировании и внедрении данного направления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т у. т. в год [10]. В качестве исходного материала для получения биодизельного топлива хорошо подходит рапсовое масло. При его дальнейшей переработке можно получать с 1 га пашни около 1 т топлива, что при удельном энергосодержании 39...40 МДж/кг будет соответствовать выходу энергии около 39 ГДж/га. Главный недостаток процесса фотосинтеза — низкий КПД преобразования энергии солнечного излучения, всего 1—2%. Другими словами, при урожайности пшеницы, например, 4 т/га каждый гектар посевов должен получить дозу солнечного излучения с энергией около 19 ТДж. Эта величина сравнима с суточной выработкой не очень большой электростанции. Поэтому широкое использование фотосинтеза для выработки энергии потребует огромных площадей земельных угодий.  Кроме солнечного излучения, на КПД фотосинтеза влияет температура воздуха, осадки, поступление питательных веществ (особенно, азота), наличие «сточных колодцев» для продуктов фотосинтеза. Весьма важно знать, как действуют эти факторы в отдельности, однако гораздо более важно, попытаться понять, как они взаимодействуют между собой. Следует подчеркнуть, что фотосинтез является важнейшим процессом в живом мире и это положение сохранится, пока продолжается жизнь на Земле. Создавая систему переработки фитомассы, Беларусь, страна с умеренным климатом, может помочь себе, достигнув большего самообеспечения. И так, в процессе переработки фитомассы можно получать горючие газы, масла, древесный уголь. Здесь можно использовать пиролиз, который реализуется путем нагревания фитомассы без доступа воздуха либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе кислорода. Таким образом, задача нашей страны в области фотосинтеза состоит в том, чтобы попытаться путем селекции отобрать такие растения, которые будут давать наиболее высокие урожаи при приемлемых энергетических КПД. Необходимо сосредоточить гораздо больше усилий на изучении физиологии и биохимии растений и их взаимодействия с окружающей средой. Исследованиям такого рода оказывают все большую финансовую поддержку как промышленные, так и правительственные организации, считающие, что системы, основанные на использовании биомассы, имеют хорошие перспективы.

2.4 Время и место получать энергию из когенерационных установок

Когенерационные установки на базе газовых двигателей - наиболее эффективный путь производства тепла и электроэнергии. Это подтверждает их промышленная эксплуатация в течение нескольких десятилетий в странах западной Европы и более чем четырехлетний опыт эксплуатации мини-ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) в Беларуси. Среди объективных преимуществ этой технологии в первую очередь выделяются:

·  высокая топливная эффективность (коэффициент использования топлива мини-ТЭЦ достигает 90%, себестоимость электроэнергии для потребителя до 3 евроцентов за 1 кВт∙ч, при цене природного газа 120 за 1000 м куб.).

·  комбинированная выработка тепловой и электрической энергии плюс выработка холода, например, для кондиционирования;

·   высокая мобильность, быстрый выход на номинальную мощность (несколько минут), адаптивность, то есть приспособление к изменению нагрузок.

Когенерационные распределенные энергоисточники фактически оказываются единственными в своем роде, дающими возможность энергетикам успевать за требованиями динамично растущего городского хозяйства. Мини-ТЭЦ состоит из ряда энергоустановок небольшой мощности, это позволяет осуществлять этапные закупки, разбивая строительство на пусковые комплексы и эффективно распределяя во времени инвестиционные потоки.  Потребители высоко оценят и такие преимущества когенерационных установок, как компактность, экологичность и бесшумность. Они могут быть расположены на тех же площадях, что и традиционные котельные, которые в любом случае используются для обеспечения отопления зданий. Что касается качественных показателей, то имеется возможность создания островных изолированных систем с генерацией энергии с более высокими показателями по частоте и напряжению для особо ответственных потребителей. Это позволяет построить систему повышенного качества энергоснабжения.  С 2007 года открыт и действует Республиканский сервисный и диспетчерский центр газовых двигателей GE Jenbacher в городе Минске. Начато создание региональных сервисных филиалов в областных городах – первый уже открыт в Гродно, готовится открытие второго в Гомеле. Построение собственной малой энергосистемы ничем не отличается от систем «большой» энергетики, при этом требует меньших инвестиций, позволяет рационально распределять инвестиционные затраты во времени, имеет высокую ритмичность строительства.  Применение когенерационных установок в некоторых случаях может принести рекордный эффект, особенно в государственном масштабе. При этом раздельный график производства тепловой и электрической энергий замещается более эффективным комбинированным - это наиболее часто встречающийся случай в распределенной энергетике Беларуси. В качестве топлива для установок используются возобновляемые или вторичные энергетические ресурсы, такие как попутный газ, биогаз, свалочный газ, газ, получаемый в процессе газификации биомассы, специальные технологические газы, выделяемые на нефтехимических и металлургических производствах. Названные достоинства когенерационных установок ставят их вне конкуренции для вновь вводимых объектов с потребностью в обеспечении электричеством и теплом. Реализация инвестиционного проекта по внедрению мини-ТЭЦ может иметь эффект финансового рычага для выведения предприятия-потребителя энергии на совершенно новый уровень хозяйствования. Здесь вполне вероятен мультипликативный эффект, характерный для энергоемких производств с высокой энергетической составляющей в себестоимости продукции. В этом случае экономический эффект от реализации инвестиционного проекта по созданию собственного энергоисточника – своего рода трамплин для масштабного скачка, который предприятие сделает в результате ощутимого снижения себестоимости продукции, изменения ценовой политики, выхода на новые рынки сбыта, улучшения сальдо торгового баланса в пользу экспорта, повышения качества продукции и качества жизни работников.

3. Гидроэнергетика в Беларуси

3.1Общие сведения

Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов. Республика Беларусь – преимущественно равнинная страна, тем не менее, её гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 850-1000МВт. Однако практически реализуемый потенциал малых рек и водотоков составляет едва ли 10% этой величины, что эквивалентно экономии 0,1 млн.т у.т./год. К концу 60-х гг. в Беларуси эксплуатировалось около 180 малых гидроэлектростанций (МГЭС) общей площадью 21 МВт. Основные направления развития гидроэнергетики республики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов. Работы по восстановлению МГЭС уже начаты. В 1992 -2000 годах в республике восстановлены следующие ГЭС:

·  Добромыслянская (Витебская область) – 200 кВт;

·  Гонолес (Минская область) – 250 кВт;

·  Войтощизненская (Гродненская область) – 150 кВт;

·  Жемыславльская (Гродненская область) – 160 кВт;

·  1-я очередь Вилейской ГЭС (Минская область) – 900 кВт;

·  Богинская (Витебская область) – 300 кВт;

·  Ольховка (Гродненская область) – 100 кВт;

·  Тетеринская (Могилёвская область) – 600 кВт.

На начало 2004 года установленная мощность ГЭС, входящих в концерн «Белэнерго», составила 10,9 МВт, а их годовая выработка электроэнергии - около 29 млн. кВт∙ч, что позволяет заместить около 8 тыс. тонн условного топлива. В то же время потенциальная мощность всех водотоков Беларуси составляет 850 МВт, в том числе технически доступная - 520 МВт, а экономически целесообразная - 250 МВт. В последние годы идет активное восстановление гидроэлектростанций. На той же Гродненщине, например, в 2005 году начала работать мини-ГЭС «Немново» на Августовском канале. Мощность станции - 250 кВт, и этого достаточно, чтобы обеспечить светлом и теплом местный поселок Сапоцкино. Окупится установка уже через 11 лет, а служить будет как минимум целый век. А всего до 2010 года в Беларуси будет насчитываться около 30 мини-ГЭС. Предусматривается до 2020 г.: строительство каскада ГЭС на Западной Двине, строительство станций на Днепре и Немане (суммарная мощность около 200 МВт). (см. Приложение видио клип «Альтернатива»)

3.2 Описание работы гидроэлектростанций

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию. Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах. Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет. Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.4).  Различают активные и реактивные турбины. В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже. Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести. КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй. В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления. ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.

Рис. 4. Машинная станция с гидротурбиной.

 

3.3 Гидроэлектростанции и жизненная среда

Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища. Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства). Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов. Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т. е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке. Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов. В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе. При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т. п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории. По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы. Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база. Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления. Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения. Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.

4.Ветроэнергетика

4.1 Общие сведения

Ветер — это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому. Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью (υв) и направлением. Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале Бофорта (см. Приложение 1). Ветроэнергетика — это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств, для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной, является то, что она может быть использована практически повсеместно. Ветродвигатель — устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую или тепловую. Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор), аккумулирующие устройства, системы автоматического управления и регулирования и др. Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра являются разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеяния энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений. Ветроэнергетичическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75—95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30—40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15—30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата. К основным техническим характеристикам ВЭУ относятся: номинальная мощность; номинальная (расчетная) скорость ветра; минимальная скорость ветра; максимальная рабочая скорость ветра; номинальная частота вращения ветроколеса. Номинальная мощность (Рн' кВт) — это мощность ВЭУ, развиваемая при скорости ветра в пределах от номинальной (расчетной) до максимальной рабочей. Значение Рн указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель. Номинальная (расчетная) скорость ветра (υр' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость различна. Минимальная скорость ветра (υ0' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в работу. Для тихоходных установок эта скорость не превышает 2...3 м/с, для быстроходных υ0 ≥ 7 м/с. Максимальная рабочая скорость ветра (υм' м/с) — скорость ветра, превышение которой может привести к разрушению ВЭУ. При υв > υм производят так называемое штормовое (или буревое) отключение ВЭУ. Значение υм для различных типов ВЭУ лежит в пределах 25...60 м/с.

.

Рис.5. Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра при регулировании скорости вращения ветроколеса: Рн — номинальная мощность ВЭУ; υ0 — минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию; υр — расчетная скорость ветра; υм — максимальная скорость ветра для работы ВЭУ

Номинальная частота вращения ветроколеса (nнвк' об./мин) — это такая скорость вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для большинства современных ВЭУ частоту вращения ветроколеса регулируют с целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра.

4.2 Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок

ВЭУ по своему назначению и виду преобразования энергии ветра в другие виды подразделяют на: ветромеханические, ветроэлектрические, ветротепловые и комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии). Наиболее универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее распространение. С точки зрения автономности использования различаются ВЭУ:

—      автономные;

—      работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.);

—      работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в первую очередь — электроснабжения объектов, удаленных от ЛЭП (линии электропередач), газопроводов и других коммуникаций. Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрырывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки. Так, для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект не менее 2-х суток. ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками, позволяют наилучшим образом выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива. При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему. Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса. Быстроходное ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три. Взаимодействие ветрового потока и лопастей показано на рис.6. Плоскость вращения Рис

Векторная диаграмма сил и скоростей в сечении лопасти быстроходного ветроколеса: υв — скорость ветра; ωR — окружная скорость сечения лопасти; υп — скорость набегающего потока; R — радиус вращения сечения лопасти; φ угол установки лопасти; а— угол атаки; Fa — полная аэродинамическая сила; Fn — подъемная сила; Fc — сила лобового сопротивления.

Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения (ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR. Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υп' которая будет превышать скорость ветра υв' так как она складывается (векторно) из υв и окружной скорости ωR. Возникающая аэродинамическая сила Fa раскладывается на подъемную — Fп' создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления Fc' действующую против направления вращения лопасти. Меняя угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть. Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя. Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить по формуле

Рвк = 3,85∙10-4∙р∙ D2 ∙υвЗ∙Кисп'

где р — плотность воздуха, кг/м3; υв — скорость ветра, м/с; D — диаметр ветроколеса, м; Кисп — коэффициент использования энергии ветра.

Предельное значение Кисп для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н. Е. Жуковским и равно 0,593. Из формулы видно, что Рвк пропорциональна υв3, что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности. Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др. Значение Кисп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного ветродвигателя — меньше 0,18. Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др. В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально - и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра. Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.

4.3 Ветряные мельницы на службе человека

Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении. В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.  Так как наша страна находится в умеренной ветровой зоне, то нам особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор, при планировании ВЭУ. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. По данному типу спроектирована одна из ВЭС в Беларуси (ВЭУ в Мядельском районе мощностью 250 кВт.  Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии. По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

 

4.4 Как хранить энергию ветра?

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Существует несколько способов сохранения энергии:

·  Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

·  Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.

·  Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а именно:

·  производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;

·  использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и кислорода;

·  использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;

·  использование ветровой энергии для производства сжатого воздуха. Этот подход может найти применение для аэрации прудов при разведении рыб, а также водоемов, испытавших неблагоприятные экологические воздействия.

 

4.5 Перспективы использования энергии ветра в агропромышленном комплексе Республики Беларусь

В 1999 году были построены ветроэлектроустановки на ветреной возвышенности в деревне Дружная (Мядельский район). Эта немецкая ветроустановка мощностью в 250 кВт является первой в Беларуси. Вторая ветроэлектроустановка мощностью в 600 кВт была построена осенью 2001 года; 18-го мая 2002 года состоялось ее торжественное открытие, за 2007 год ими выработано 1,58 млн. кВт∙ч электроэнергии. Коэффициент использования данных установок 25%, что является нормальным показателем.  Необходимо отметить, что и сама деревня Дружная является уникальным полигоном экологических технологий строительства. Среди трех десятков построенных здесь комфортных экодомов есть дома из глиносоломенных смесей, дома из щепы с глиной, здесь же находится первое в СНГ строение из соломенных блоков. Самый мощный в РБ фотоэлектрический коллектор находится тоже здесь. Подобную, но меньшую площадку планируют создать в Минске, начав со строительства в 2008 году 2 энергопассивных экодомов, которым не нужны системы отопления за счет супертеплоизоляции стен соломенными блоками и использования солнечных коллекторов для сезонного аккумулирования тепла. Территория республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильность скорости ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5-2,5% ветровой энергии. К зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики, со среднегодовой скоростью ветров выше 5-5,% м/с, относится 20% территории страны. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси и в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней районы с запада. В ближайшее время развитие использование энергии ветра получит новый импульс. К 2010 году Минэнерго планирует ввести в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью не менее 15-20 МВт. В текущем году, согласно плану, планируется также построить ветроустановку в РУП «Гродноэнерго» и ОАО «Гроднохимволокно». В Государственной программе Республики Беларусь прогнозируемые годовые объемы использования энергии ветра для получения электроэнергии к 2012 г. оцениваются в 9,31 млн. кВт∙ч при общей установленной мощности 5,2 МВт. На 1 января 2005 г. общая мощность ВЭУ составила 1,1 МВт, объем замещения по вырабатываемой электроэнергии около 3,25 млн. кВт∙ч в год [10]. Всего на территории республики выявлено 2000 площадок (наибольшее количество находится в Минской, Витебской и Гродненской областях), пригодных для размещения ВЭУ промышленного типа, с общей мощностью около 1600 МВт. В Беларуси в соответствии с проектом до 2014 года предлагается ввести всего 10 ветроустановок с общей мощностью 15 МВт. Они позволят суммарно вырабатывать около 44 млн. кВт∙ч электроэнергии в год, окупаемость таких проектов не превысит 14 лет. Согласно расчетам экспертов, ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс. т угля. Кроме того, сокращаются выбросы углекислого газа и других веществ в атмосферу. К тому же, продажа на углеродном рынке объемов сокращения выбросов парниковых газов от предполагаемого ветропарка может принести дополнительный доход в 500 тыс. евро за 5 лет. Учитывая то, что быстроходные ВЭУ в нашей стране неэффективны, так как для них требуется минимальная расчетная скорость ветра не менее 10 м/с; а тихоходные ВЭУ менее технологичны в производстве и сложнее в эксплуатации, в Беларуси разрабатываются ВЭУ, работающие на основе использования эффекта Магнуса, когда в качестве аэродинамических элементов используются не лопастные, а вращающиеся усеченные конусы специальной формы (роторы), подъемная сила в которых многократно (в 6-8 раз) превосходит подъемную силу в лопастях. Главное их преимущество состоит в том, что они могут эффективно работать при скоростях ветра, характерных для условий Беларуси. Взаимодействие цилиндрической лопасти с ветровым потоком показано на рис.7.

Рис.7. Взаимодействие вращающейся лопасти с ветровым потоком: υв — вектор скорости ветра; υ1' υ2 — относительные скорости обтекания; ωл — угловая скорость вращения лопасти вокруг своей оси; Fм — сила Магнуса.

Сила Магнуса (Fм), направленная в сторону вращения ветроколеса, указанного на рисунке, возникает из-за разности давлений обтекающего эту лопасть ветрового потока. При вращении цилиндрической лопасти с угловой частотой ωл относительная скорость обтекания цилиндра воздушным потоком υ' будет меньше аналогичной скорости υ2, что и является первопричиной возникновения силы Fм.

В нашей республике ведутся работы по созданию ВЭУ. Отличительная особенность: они вступают в работу при скорости ветра υ0 = 3 м/с. Коэффициент использования энергии ветра ветроколесом с цилиндрическими лопастями близок к 0,5. Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения угловой скорости вращения лопастей ωл. В 1996 г. была создана и испытана экспериментальная ветроустановка ВЭУ-250 (см. Приложение 2). Однако освоение производства таких ВЭУ требует дополнительных исследований, создания соответствующих производственных мощностей и финансирования.

Для ряда сельскохозяйственных объектов, удаленных от линии электропередач, газопроводов и других коммуникаций, перспективным является использование для автономного энергоснабжения ВЭУ малой мощности, Рн ≤ 10 кВт. Еще в бывшем СССР было налажено серийное производство маломощных ВЭУ, типа АВЭУ (автоматическая ветроэлектрическая установка)-6-4(Приложение 2), способных обеспечивать в автономном режиме, при наличии аккумуляторной батареи и преобразователя напряжения, потребности в электроэнергии небольшого фермерского хозяйства. Из ВЭУ такого класса представляет интерес установка ВЭУ-2000(Приложение 2), разработанная на основе высоких технологий авиакосмической промышленности и способная автономно обеспечивать электроэнергией небольшие объекты даже в областях с низкими значениями средней скорости ветра. Ёмкость аккумуляторной батареи для подобных автономных установок выбирается из необходимости обеспечения энергоснабжения при отсутствии ветра в течении 2...3 суток. Еще более надежное электроснабжение обеспечивается при дополнении ВЭУ солнечными батареями.

В середине августа 2007 года в СЭЗ (свободная экономическая зона) «Брест» начала работать первая на Брестчине ветроэнергетическая установка.

Энергия ветра, преобразованная в электрическую, используется на автозаправочной станции, принадлежащей совместному белорусско-итальянскому предприятию «БелТрансОйл». СП (совместное предприятие) «БелТрансОйл» в сутки потребляет 30-35 кВт/ч электроэнергии, что обходится предприятию в течение года в 50 тыс. долларов. Использование ВЭУ позволит экономить до 10% финансовых средств. Здесь итальянская новинка воспринимается как экспериментальная. Преследуется цель выяснить, чему равна скорость ветра на окраине г. Бреста в течение года. Ведь равнинная местность Брестской области считается наименее перспективной для подобных проектов. Но, многолетние наблюдения показали, что есть зоны, где скорость ветра увеличивается за счет ветровой тяги. К такой зоне относится и пойма р. Лесная, в районе которой установлена новая ВЭУ. Если с ее помощью СП «БелТрансОйл» это утверждение подтвердится, то руководство предприятия намерено установить еще одну подобную ветровую турбину мощностью 1,2 МВт. Прорабатываются возможности использования ВЭУ в других регионах Брестчины. Наиболее привлекателен в этом плане Барановичский район.

В последнее время на Брестчине все больше внимания обращается на рациональное использование ветровой энергии. Пружанское отделение районных электросетей РУП «Брестэнерго» приняло решение о возведении ветроэнергетической установки. Специалисты НПО «Малая энергия» (г. Минск) с ноября 2006 по апрель 2007 года провели мониторинг местности и атмосферных явлений в районе д. Могилевцы. Они пришли к выводу, что ВЭУ мощностью в 1 МВт позволит получить 2,5 млн. кВт/ч. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией среднего сельхозпредприятия, что составит 3% от потребляемой энергии в Пружанском р-не. В июле 2007 года аналогичный мониторинг проведен возле д. Головчицы. Планируется разработка проектно-сметной документации и строительство первой на Пружанщине ВЭУ. Она будет установлена на высоте 65 м. Размах ее лопастей – 60 м. Работа установки возможна даже при незначительном ветре – 3,5 м/сек. Оптимальная скорость ветра для производства электроэнергии – 12 м/сек. Во время урагана установка перестает работать, и включается при снижении его силы. Преимущество ВЭУ в том, что она работает в те часы, когда наблюдается пик потребления электроэнергии – главным образом днем и в холодное время года. Срок окупаемости одной установки - от 3,5 до 6 лет. По подсчетам специалистов, ветряный потенциал Беларуси – 250 млрд. кВт/час в год. Наиболее приемлемыми регионами по использованию энергии ветра являются Гродненская и Минская области. Северные районы Брестчины тоже считаются подходящими для строительства ВЭУ, чем и воспользовались энергетики Пружанского района.То, что энергию ветра можно довольно эффективно использовать в нашей республике, подтверждают ветроэнергетические установки, которые действуют на протяжении нескольких лет в Нарочанском крае. На въезде в д. Занарочь германским благотворительным общественным объединением «Дома вместо Чернобыля» для переселенцев из Чернобыльской зоны были построены две ВЭУ. На 50-метровой башне установлена ветровая турбина Nordex мощностью 250 кВт, а на 60-метровой цельнометаллической опоре – Repower мощностью 600 кВт. Обе установки производят в год около 140 кВт электроэнергии. Ученые ведут постоянное наблюдение за их работой. Анализ данных показывает, что наши показатели ничуть не хуже, а иногда даже лучше зарубежных Ветер нашу республику не обходит стороной. Остается только использовать его бесплатную энергию.

Основным направлением использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет применение их для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании с МГЭУ для перекачки воды. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Готовится к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5-8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разрабатывается и готовится к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом.

 По последним данным, на 17 декабря 2008 года, немецкий консультант по альтернативной энергетике Юнгер Шенк планирует проект для Беларуси, где искренне советует прислушаться к ветру и присмотреться к биоотходам.

5.Сравнение возобновляемых топливно-энергетических ресурсов

Наша страна богата важнейшими природными ресурсами — территорией. На каждый её м2 ежегодно поступает от 980 до 1180 кВт∙ч энергии солнечного излучения, которая является первичной в процессе образования биомассы, гидроэнергии, энергии ветра и др. В качестве оценочной единицы площади сельхозугодий (или другой территории), участвующей в производстве энергии или энергоносителя, удобно использовать 1 га. При среднегодовом поступлении солнечной энергии 1000 кВт∙ч/м2 (1 кВт∙ч = 3,6 МДж; 1 га = 10 000 м2) ежегодно на 1 га площади будет поступать энергия Е0 = 36 000 ГДж (по энергосодержанию Е0 — 1 млн м3 природного газа). Для оценки преобразования солнечной энергии в другие виды введем критерий

           Ek

Kпр.k = — ∙ 100 % ,

           Е0

где Ek — количество энергии или энергосодержание k-гo энергоресурса, полученное с 1 га территории или сельхозугодий за год.

Этот коэффициент не является коэффициентом энергетической эффективности процесса получения энергоресурса, т. к. не учитывает всех видов затрат на реализацию этого процесса. Однако он позволяет количественно оценить способ преобразования солнечной энергии — основного природного энергоресурса. В табл. 2 приведены сведения о возобновляемых ТЭР, освоение которых перспективно для нашей республики. Для ГЭС за пример взята строящаяся на р. Неман станция мощностью 17 МВт и площадью водохранилища около 1000 га. Невысокое значение Kпр.г указывает на то, что за энергию, получаемую от равнинных ГЭС, требуется высокая плата в виде территории, уходящей под водохранилище со всеми последствиями для АПК и экологии региона.

Для получения энергии из биомассы наибольшие перспективы имеют БГУ, ива быстрорастущая на топливо и сахарная свекла для этанола (в табл. 2 урожайность сахарной свеклы принята 500 ц/га). Лесная древесина имеет невысокий выход энергии (≈ 40 ГДж/га в год, К пр.д = 0,11 %).

Таблица 2. Показатели возобновляемых ТЭР для условий Беларуси.

Энергоресурс или источник энергии	Выход энергии с 1 га в год, ГДж	Коэффициент преобразования, %
Тепловые гелиоустановки	18000	50
Фотоэлектрические станции	4320	12
ГЭС	268	0,74
Рапсовое топливо	39	0,11
Этанол (сахарная свекла)	135	135
Этанол (пшеница)	70	0,19
Ива быстрорастущая	300	0,83
Древесина на корню	40	0,11
Биогаз (фитомасса)	690	1,9

Из таблицы следует, что для условий АПК наиболее предпочтительны тепловые гелиоустановки и фотоэлектрические станции, позволяющие с единицы занимаемой площади получить наибольший выход энергии.

Заключение

Возобновляемые источники энергии могут внести весомый вклад в энергетический баланс нашей республики. Но у всех этих новых источников энергии высокая капиталоемкость и весьма высокая стоимость. Поэтому на развитие энергетики будет отвлекаться все большая часть валового продукта. Взаимосвязи в развитии энергетики и экономики становятся не только сильнее, но и сложнее. Поэтому требуются новые методические подходы к их изучению и учету. Основные задачи этих исследований состоят в изучении объективных тенденций во взаимосвязях энергетики и экономики, в создании методов и моделей для комплексной оценки прямого и обратного влияния энергетических стратегий на развитие народного хозяйства, в разработке рациональных способов учета этого влияния на разных стадиях планирования и прогнозирования.

Число рассматриваемых энергетических стратегий должно быть расширено за счет стратегий крупномасштабной экономии энергии, включающих изменение технологических процессов, структуры промышленного производства и транспорта, конструкции и типа жилых домов, образа жизни и т. д.

Основная задача стоит перед экономикой республики Беларусь оценить, использовать потенциал возобновляемых ресурсов, найти их место в топливно-энергетическом комплексе. Ее решение позволит снизить зависимость экономики республики от импорта энергетических ресурсов, будет способствовать ее стабильности и развитию. При планировании энергетики на возобновляемых источниках важно учесть их особенности:

1.      Периодичность действия в зависимости от неуправляемых человеком природных закономерностей и, как следствие, колебания мощности возобновляемых источников.

2.      Низкие плотности потоков энергии и рассеянность их в пространстве. Поэтому энергоустановки на возобновляемых источниках эффективны при небольшой единичной мощности, и, прежде всего, для сельских районов.

3.      Применение возобновляемых ресурсов эффективно лишь при комплексном подходе к ним. Например, отходы животноводства и растениеводства на агропромышленных предприятиях одновременно могут служить сырьем для производства метана, жидкого и твердого топлива, а также удобрений.

4.      Экономическую целесообразность использования того ли иного источника возобновляемой энергии следует определять в зависимости от природных условий, географических особенностей конкретного региона, с одной стороны, и в зависимости от потребностей в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства, бытовых нужд, с другой. Рекомендуется планировать энергетику на возобновляемых источниках для районов размером примерно 250 км2.

В заключение можно сказать, что в республике Беларусь есть инициаторы-новооткрыватели, которые заинтересованы в продвижении в нашей стране альтернативной энергетики. Такой пример дал житель Беларуси Евгений Широков, построил дом из сухой травы. Фундамент дома сделан из бутылок. Их собирали 3 дня в окрестных лесах. Бутылки как кирпичи уложены на раствор. Получилась очень прочная конструкция, которая сохраняет тепло и не пропускает влагу. Солома, доски, глина - вот и весь стройматериал. И никакой химии. Все натуральное, природное. Стены дома сложены из соломенных блоков, толщиной в полметра. Зимой, говорит изобретатель в таком жилище тепло, а летом прохладно. Это не просто экологический дом, но и здание с нулевым энергопотреблением. На крыше - ветряк и солнечные батареи. Дом абсолютно автономен. Хозяевам не нужны ни линии электропередачи, ни теплосети, ни водопровод, есть даже система биологической утилизации отходов. При помощи бактерий они перерабатываются в удобрения.

Переход к устойчивому развитию Беларуси невозможен без внедрения экологических технологий и альтернативной энергетики, энергосбережения и создания адекватной времени среды обитания в населенных пунктах. Чем раньше мы это осознаем, тем быстрее начнем переходить к устойчивому социально-экономическому развитию и гармоничному сосуществованию с природой. И если бы раньше мы тратили хотя бы 1% средств, затраченных на освоение "мирного атома" и борьбу с последствиями этого "освоения", на развитие альтернативной энергетики и энергосбережение, ситуация сейчас в энергетике и экономике была бы иной.

Литература

1.  Алексеев В.В., Чекарев К.В. Солнечная энергетика. №12. - М.: Знание, 1991.-64с.

2.  Более чем достаточно? Под ред. Р.Кларка.- М.: Энергоатомиздат, 1984. – 216 с.

3.  Internet: http://www.heimstatt-Tschernobyl.com

4.  Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика (проблемы перехода к новым источникам энергии). – М.: Наука, 1981. -202 с.

5.  Кравченя Э.М., Козел Р.Н., Свирид И.П. Охрана труда и основы энергосбережения. – Мн.: ТетраСистемс, 2004.- 288 с.

6.  Малтинский М. Энергию приносит ветер. №1.Наука и жизнь, 2005. – с. 46-49.

7.  Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию.- М.: Мир, 1981. – 440 с.

8.  Усковский В.М. Возобновляющиеся источники энергии. - М.:Россельхозиздат, 1986. – 126 с.

9.  Филинович А. Время и место получать энергию из когенерационных установок. Журнал «Дело» №9.- Мн.: 2008. с. 42-43.

10.  Чирков Ю.Г. Занимательно об энергетике. – М.: Молодая гвардия, 1981. – 208 с

11.  Черноусов С.В. Энергетика Беларуси смотрит в будущее. – Мн.: Энергоэффективность, 2006. - №1 – с.5-8.

12.  www.1tv.ru

Приложение 1

Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на условия работы ВЭУ

Баллы Бофорта	Скорость ветра, м/с	Характер ветра	Наблюдаемые признаки действия ветра	Условия для работы ВЭУ
0	0...0,2	Безветрие	Дым поднимается вертикально	Отсутствуют
1	0,3.. .1,5	Почти безветрие	Дым поднимается почти вертикально. На воде рябь	Отсутствуют
2	1,6.. .3,3	Легкий ветерок	Ветер едва ощутим	Практически отсутствуют
3	3,4.. .5,4	Слабый ветер	Колышутся листья, флаги	Начинают работать тихоходные ВЭУ
4	5,5.. .7,9	Умеренный ветер	Качаются тонкие ветки деревьев, полощутся флаги	Хороши для тихоходных ВЭУ. Начинают работать быстроходные ВЭУ
5	8,0.. .10,7	Свежий ветер	Начинают раскачиваться деревья, волны в барашках	Хорошие для всех ВЭУ
6	10,8.. .13,8	Сильный  ветер	Слышен шум ветра, гудят провода	Очень хорошие для всех ВЭУ
7	13,9.. .17,1	Крепкий ветер	Тонкие деревья качаются. С гребней волн летит пена	Предельно допустимые
8	17,2.. .20,7	Шквальный (очень крепкий) ветер	Трудно идти. Качаются толстые деревья	Недопустимые
9	20Д..24.4	Шквал	Переворачиваются легкие предметы. С крыш срывается черепица, шифер	Недопустимые
10	24,5.. .28,4	Буря (шторм)	Выворачивает деревья	Недопустимые, нужна защита
11	28,5.. .32,6	Сильная буря	Разрушаются постройки	Недопустимые, нужна защита
12	Свыше 32,6	Ураган	Опустошает обширные местности	Недопустимые, нужна защита

Приложение 2

Технические характеристики ветроустановок

Характеристика	ВЭУ-250	ВЭУ-2000	АВЭУ-6-4
Номинальная мощность, кВт	250	2,0	4,0
Минимальная скорость ветра, м/с	3	2,5	5
Номинальная скорость ветра, м/с	10	10	9,5-10
Максимальная расчетная скорость ветра, м/с	25	42	20
Диаметр ветроколеса, м	56	3,12	5
Количество лопастей ветроколеса, шт.	2	2	3
Масса ветроагрегата (без фундамента), кг	11000 (без вышки)	222	900

Приложение 3

Состояние ТЭР Республики Беларусь в сопоставлении с зарубежными странами

Страна	Энергоемкость вало-вого национального продукта, кг у.т./руб	Потребление ТЭР на душу населения, т у.т./чел	Потребление элект-роэнергии на душу населения, кВтч/чел.		Потребление элект-рознергии в ком. быту на душу населения, кВт-ч/чел.	Установленная мош-ность электростанций на душу населения, кВтч/чел.	Доля электроэнергии в общем потребле-нии, %	Сравнение энергоем-кости валового нацио-нального продукта, %
Беларусь	2,07	5,42	4794		903	0,675	24,2	100
СССР бывший	3,21	7,3	6450		976	1,34	22,0	155
США	0,75	11,1	12240		3600	3,04	37,9	36,2
Великобритания	0,46	5,50	5720		нет данных	1,19	35,0	22,2
Франция	0,33	5,2	5790		1800	1,79	47,4	15,9
Япония	0,37	4,50	6000		Н.Д.	1,5	44,3	17,8
Канада 1986	н.д.	9,91	16914		н.д.	3,8	н.д.
Норвегия1986	н.д.	9,25	23706		н.д.	5,6	н.д.
Финляндия 1986	н.д.	8,61	10121		н.д.	2,3	н.д.
Южная Корея	н.д.	н.д.	1663	н.д.		0,47	н.д.