Основы энергосбережения (стр. 6 из 15)
В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей. Практически используется два основных способа преобразования солнечной энергии: 1) прямое преобразование солнечной энергии в тепловую (солнечные водоподогреватели, подогреватели воздуха, солнечные коллекторы) и 2) прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрические преобразователи).
Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую .
Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.
Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии циркулирующей жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом также их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100 °С.
Для достижения более высоких температур применяют концентрирующий коллектор, который включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, представляющий собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности. Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры до 700 °С, достаточно большие для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую
Самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию. Это становится возможным при использовании такого физического явления, как вентильным фотоэффектом. При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.
Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10–15 % (то есть при освещенности, равной 1 кВт/м2, они вырабатывают электрическую мощность 1–1,5 Вт с каждого квадратного дециметра) при создаваемой разности потенциалов около 1В. Характерный продольный размер солнечного элемента обычно составляет 10х10 см.
Ветроэнергетика.
Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является преобразованной в механическую энергию Солнца. Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками.
Ветроустановки могут быть предназначены для непосредственного выполнения механической работы (например, привода водяного насоса) или для производства электроэнергии. В последнем случае они приводят в действие электрогенератор и в совокупности с ним называются ветроэлектрогенераторами.
Основными элементами ветроэлектрогенераторов являются: 1) ветроколесо; 2) электрогенератор; 3) система управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения ветроколеса; 4) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергии или быть соединены с электроэнергетическими установками других типов.
Каждое ветроколесо характеризуется:
· ометаемой площадью S, то есть площадью, покрываемой его лопастями при вращении и равной S=pD2/4, где D - диаметр ветроколеса;
· коэффициентом мощности Cp, характеризующим эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящим от конструкции ветроколеса;
· коэффициентом быстроходности Z, представляющим собой отношение скорости конца лопасти к скорости ветра.
При скорости ветра U, м/с и плотности воздуха r, кг/м3 ветроколесо с ометаемой площадью S, м2развивает мощность P, Вт:
.
Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Особенно перспективным считается их использование в сочетании с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды. Применение ветроэнергетических установок для водоподъема, электроподогрева воды и электроснабжения автономных потребителей к 2010 году предполагается довести до 15 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 9 тысяч тонн условного топлива в год.
Беларусь располагает значительными ресурсами энергии ветра. По данным Государственного комитета по гидрометеорологии Республики Беларусь и НП «Ветромаш», среднегодовая скорость ветра на территории республики составляет 4,3 м/с. На четверти территории, пригодной для внедрения ветроэнергетических установок, среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/c. Такая скорость ветра соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники. 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.
Максимальный прогнозируемый ветроэнергетический ресурс территории республики составляет более 280 миллиардов кВт·часов в год. Использование только 1 % территории под ветроэнергетику уже в 2010 году позволило бы выработать около 3 миллиардов кВт часов энергии.
Энергия биомассы. Источники биомассы и производство биотоплива.
Фотосинтез – это процесс образования органических веществ и аккумулирования химической энергии под действием солнечного излучения. При фотосинтезе происходят химические реакции, в которых в основном участвуют углерод C, водород H, кислород O и солнечное излучение. В результате фотосинтеза получаются химические соединения этих элементов, энергия которых больше, чем энергия исходных материалов на величину поглощенной солнечной энергии. При последующем взаимодействии полученных веществ с кислородом эта энергия высвобождается в виде тепла. Если синтезированное вещество (в обезвоженном состоянии) сжигать в кислороде, то выход тепла составит примерно 16 МДж/кг. Схема планетарного кругооборота биомассы показана на рисунке 5.
Таким образом, использование полученных органических соединений, будучи хорошо увязанным с природными экологическими циклами, может не давать загрязнений и обеспечивать непрерывный процесс получения энергии. Подобные системы называются агропромышленными. Для них наибольшие успехи достигнуты в отраслях, перерабатывающих сахарный тростник и древесину. Ниже представлена схема планетарного кругооборота биомассы.Источники биомассы и производство биотоплива
Биомасса – органическое вещество, генерируемое растениями в процессе фотосинтеза, при подводе солнечной (световой) энергии. Биомасса является как бы аккумулятором солнечной энергии. Энергия биомассы используется двумя способами: путем непосредственного сжигания отходов сельскохозяйственной продукции и путем глубокой переработки исходной биомассы с целью получения из нее более ценных сортов топлива – твердого, жидкого или газообразного, которое сжигается с высоким КПД при минимальном загрязнении окружающей среды. Второй способ перспективен и позволяет использовать в качестве первичных энергоносителей такие биомассы, которые не поддаются утилизации путем прямого сжигания в топочных устройствах. Эти биомассы представляют собой бытовые и промышленные отходы, ухудшающие состояние среды обитания человека. Поэтому их переработка, проводимая в целях получения энергии, позволяет одновременно решить и экологическую задачу.
Основными источниками биомассы служат городские и промышленные отходы, отходы животноводства, сельского и лесного хозяйства и водоросли. Твердые городские отходы представляют собой домашние отходы, отходы легкой промышленности и строительства. В зависимости от времени года и района сбора отходы в среднем состоят на 80 % из горючих материалов, из которых 65 % имеют биологическое происхождение: бумага, пищевые и животные отходы, тряпье, пластмасса. Горючими компонентами являются углерод (~ 25 %), водород (~ 3 %) и сера (~ 0,2 %), поэтому теплота сгорания городских отходов составляет 9...15 МДж/кг. Небольшое содержание азота (~ 0,3 %) и невысокие температуры горения отходов сводят к минимуму образование вредных окислов азота и обеспечивают экологическую чистоту отходов как топлива, ввиду образования незначительного количества оксидов серы.