Читаем Альтернативные источники энергии и энергосбережение онлайн бесплатно

Истощение месторождений нефти, угля и газа грозит глобальной энергетической катастрофой. В 2014 году совершенно ясно, что альтернативная энергетика и энергосбережение — это единственный билет в будущее и надежда на выживание основной массы населения планеты.

Устройства, с помощью которых можно получать энергию из неисчерпаемых или возобновляемых природных ресурсов, снижают зависимость от традиционного сырья. А повсеместный переход на альтернативную энергетику может эту зависимость полностью исключить.

Вся современная мировая экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно 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 регулируется. 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 в мире. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные источники энергии и не дают большой выгоды, то в рамках отдельного дома они могут быть весьма привлекательны. Уже сейчас многие ощущают на себе постоянное увеличение тарифов на электроэнергию, тепло и газ. С каждым годом энергетические компании все глубже залазят в карман обычных людей.

Эксперты международного венчурного фонда I2BF представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5—10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается (www.active-house.ru).

Под стоимостью энергии подразумевается цена, которую хочет получить производитель альтернативной энергии, чтобы за время жизни проекта компенсировать свои капитальные расходы и обеспечить доходность в 10 % на вложенный капитал. В эту цену также будет включена стоимость долгового финансирования, так как большинство проектов альтернативной и традиционной энергетики строятся с привлечением серьезного рычага заемных средств.

Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов альтернативной и традиционной энергетики в 2014 г. (рис. 1).

Рис. 1.Оценка различных видов альтернативной и традиционной энергетики

По приведенным цифрам самой низкой стоимостью из всех видов альтернативной энергетики обладает геотермальная энергия, а также энергия, образующаяся при сжигании мусора и свалочного газа. По сути, они уже могут напрямую конкурировать с традиционной энергетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное количество мест, где можно реализовать эти проекты.

Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергетиков, кто хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энергетики, кто просто хочет немного сэкономить на энергии, И написана эта книга.

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектростанция) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в упрощенном виде представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1.Устройство ветроэлектрической установки

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому.

Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять.

Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средняя скорость ветра в 4–5 м в секунду характерна для большинства промышленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветреных дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или половину времени.

Ветрообильные районы — это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они мало обжиты, и поэтому создание Ветроустановок, ветропарков представляет там сложности (http://www.manbw.ru).

К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, пожалуй, отнести несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского залива и Ладожского озера. Морское побережье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые условия для исполнения проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в некоторых городах сведена в табл. 1.1.

Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью. Возможно, в будущем удастся довести до практического и дешевого использования водородную энергетику, что позволит безболезненно запасать энергию, произведенной ветроустановкой. Пока же ветроустановки привязаны к линии электропередач.

В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане существенной экономии затрат на производство тепла, на досвечивание растений в теплицах и, в какой-то мере, снижения потребляемой электроэнергии от электросети. Но задача автономного или почти автономного снабжения жилища от энергии ветра очень сложна. Ветряк должен быть диаметром порядка 20 м.

Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.

Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с, характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.

Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60–80 %! (в среднем 40–45 %). У любительских (самопалов) — порядка 35 %. Т. о. при скорости ветра 5 м/с получим действительную мощность 0,35 x 90 = 31,5 Вт.

В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в киловатах при КИЭВ 35 %, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при быстроходности Z = 6.

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, — 9… 12 м/с. Еще одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.

где Р — мощность; D — диаметр винта в метрах; V — скорость ветра в м/с.

где Р — это мощность, в ваттах; S — площадь (м²), на которую перпендикулярно дует ветер; V — скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле — в кубе).

Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заключается в диаметре винта установки. Ну и еще, сравним расчеты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, то хорошо. А если нет, то:

♦ либо надо искать другой источник энергии;

♦ либо строить несколько ветряков.

Скорость ветра — это самый важный фактор, который влияет на количество энергии, вырабатываемой ветрогенератором.

Приведенная внизу табл. 1.3 показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность — 1,225 кг/м³, атмосферное давление 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м²) выглядит следующим образом:

где V — скорость ветра в м/с (по данным Датской ассоциации производителей ветротурбин)

Таблица 1.2. Значения энергии ветра в стандартных условиях

Прежде всего, нужно помнить, что скорость ветра зависит от следующих факторов.

Высота над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12 %.

Время года. В большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер.

Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.