Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

Ø подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий в районах с холодным климатом;

Ø сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

Ø поставлять теплоту, необходимую для работы абсорбционных холодильников;

Ø опреснение воды в солнечных дистилляторах;

Ø приготовление пищи;

Ø привод насосов.


На рис.3.1 представлены три из большого числа конструкций нагревателя воды, отличающихся по эффективности и стоимости.

Для отопления зданий зимой могут применяться так называемые пассивные и активные солнечные системы. На рис.3.2а показан пассивный солнечный нагреватель: солнечные лучи попадают на заднюю стенку и пол здания, представляющие собой массивные конструкции с усиленной теплоизоляцией, окрашенные в черный цвет. Недостаток такой системы прямого нагрева - медленный подъем температуры в зимние дни и чрезмерная жара летом - устраняется с помощью накопительной стенки с солнечной стороны (рис.3.2б). Стенка работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой циркуляцией. Летом такую стену может затенять козырек крыши. Активные солнечные отопительные системы используют внешние нагреватели воздуха и воды. Их можно устанавливать на уже существующие здания.

В системах непрямого преобразования в электрическую - на гелиотермических электростанциях солнечная энергия, аналогично энергии органического топлива на ТЭС, превращается в тепловую энергию рабочего тела, например, пара, а затем в электрическую. Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков - сотен мегаватт. Концентрация солнечной энергии может осуществляться с помощью рассредоточенных коллекторов в форме параболоидов диаметром более 30м.

 

 
 

Рис.3.2 Пассивные солнечные нагреватели:

а - прямой нагрев задней стенки здания: использованы массивные,

окрашенные в черный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией

для поглощения и накопления солнечной теплоты;

б - здание с накопительной стенкой.

 

 
 

Каждый из них независимо следит за Солнцем и передает его энергию теплоносителю. Альтернативный вариант - солнечные электростанции башенного типа. На них системы плоских зеркал, расположенные на большой площади, отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник на вершине башни (рис.3.3).

К сожалению, КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на гелиотермических электростанциях составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии несопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Серьезная проблема - непостоянство солнечного излучения в течении суток, его зависимость от времени года. Для обеспечения круглосуточного энергоснабжения требуется аккумулирование энергии. В этой связи рациональна совместная работа гелиотермической и гидроаккумулирующей электростанций.

Заманчиво и многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов (рис.3.4), в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД составляет не более 15%, и они очень дороги. Предложено два варианта реализации принципа фото-электрического преобразования. Первый заключается в создании солнечных станций на искусственных спутниках Земли, оборудованных солнечными

Рис.3.4
панелями из фотоэлементов площадью от 20 до 100 км2 в зависимости от мощности станции. Вырабатываемая на спутниках электроэнергия будет преобразовываться в электромагнитные волны в микроволновом диапазоне частот, направляться на Землю, где принимается приемной антенной. Второй предполагает монтаж сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных и малоиспользуемых пустынных районах Земли.

Для территории Беларуси свойственны относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток года. В этой связи необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. Поэтому для нашей республики реально использование солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия топливно-энергетических ресурсов оценивается всего в 5000 у.т./год.

3.2. Ветроэнергетика и малая гидроэнергетика.

Гидроэнергетика - это область наиболее развитой энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов.

Цель гидроэнергетических установок - преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения гидротурбины.

Принципиальная схема производства электроэнергии на гидроэлектростанции представлена на рис.3.5. С помощью плотины в водохранилище создается запас потенциальной энергии воды. Через подводящий (напорный) водопровод вода под напором подается на турбину, с помощью которой кинетическая энергия падающей воды превращается в механическую энергию вращения турбины и далее вала электрогенератора. КПД превращения энергии воды в электрическую энергию в гидроэнергетических установках оказывается порядка 50%.

Рис.3.5. Схема гидроэлектростанции.

1-электрогенератор; 2 – приводной ремень; 3 – гидротурбина;

4 – сопло; 5 – вентиль; 6 – водовод; 7 – плотина; 8 – решетка.

 

Основные параметры, от которых зависит мощность ГЭС,- это расход воды, т.е. количество воды, подаваемой на турбину в единицу времени, и напор-перепад между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата. Поэтому мощность ГЭС, количество и стоимость вырабатываемой ею электроэнергии в конечном итоге зависят от типографических условий в районе размещения водохранилища и ГЭС.

Наиболее сложные проблемы гидроэнергетики - ущерб, наносимый окружающей среде водохранилищами (уничтожение уникальной флоры и фауны, затопление плодородных почв, климатические изменения, потенциальная угроза землетрясений и др.), заиливание гидротурбин, их коррозия, большие капитальные затраты на сооружение ГЭС. Вырабатываемую ГЭС энергию легко регулировать, и она преимущественно используется для покрытия пиковой части графика нагрузки энергосистем с целью улучшения работы базисных электростанций (ТЭС, КЭС, АЭС). Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 1000 МВт. Однако практически реализуемый потенциал малых рек и водотоков Беларуси составляет едва ли 10% этой величины, что эквивалентно экономии 0,1 млн. тонн условного топлива. Для достижении большего пришлось бы затопить значительные площади из-за равнинного характера рек. К концу 60-х годов в Беларуси эксплуатировалось около 180 малых ГЭС (МГЭС) общей мощностью 21 МВт. В настоящее время осталось лишь 6 действующих МГЭС. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) предполагается сооружать для использования избыточной мощности при снижении потребления электроэнергии в ночное время и нерабочие дни при вводе в Белорусской энергосистеме энергоисточников на ядерном топливе.

Принципиальная схема ГАЭС дана на рис.3.6.

 

Рис.3.6 Схема гидроаккумулирующей электростанции.

1 – линия электропередачи; 2 – трансформатор; 3 – двигатель-генератор;

4 – напорный водовод; 5 – верхний резервуар; 6 – насос-турбина;

7 – водовод; 8 – нижний резервуар.

При малых нагрузках в энергосистеме электроэнергия от базисных электростанций (ТЭС, АЭС) может использоваться в действии насосов, перекачивающих воду нижнего водохранилища в верхнее. В периоды пика вода пропускается обратно в нижнее водохранилище, проходя через гидроагрегат и вырабатывая дополнительную электроэнергию для пиковых нагрузок. Возможны надземный и подземный варианты сооружения ГАЭС.

Основные направления развития гидроэнергетики РБ является восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС на реках со значительным расходом воды.

Ветроэнергетика.Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175-219 тыс. ТВт/ч в год. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течении суток - бризы и года - муссоны. Полезно может быть использовано лишь 5% указанной величины энергии ветра. Используется же значительно меньше.

Рис.3.7.
Энергию ветра человек начал применять в глубокой древности для приведения в движении парусных кораблей, мельничных колес. В наше время она используется для выработки электроэнергии. Это - наиболее эффективный способ утилизации энергии ветра. В ветроэнергетической установке (ВЭУ) кинетическая энергия движения воздуха превращается в энергию вращения ротора генератора (рис.3.7), который вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра в кубе. Поэтому ветроэнергетические установок большой мощности оказываются крупногабаритными, ведь скорость ветра в среднем бывает небольшой.

Для защиты от разрушения сильными случайными порывами ветра установки проектируется со значительным запасом мощности. Трудности в использовании ветроустановок связаны с непостоянством скорости ветра. Приходится управлять частотой вращения ветроколеса и согласовывать ее с частотой вращения электрогенератора. Кроме того, в периоды безветрия электроэнергия не производится. Для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии. Крупномасштабное применение ВЭУ в каком-то одном районе может вызвать значительные климатические изменения, испортить ландшафт, ВЭУ создают шум и электромагнитные помехи.

Научные разработки и исследования ориентированы на использование ВЭУ по двум направлениям: в региональных энергосистемах и для местного (автономного) энергоснабжения. Функционируют ВЭУ мощностью до 20 кВт, и созданы установки мощностью до 3-4 МВт. Срок службы таких генераторов порядка 20 лет. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет меньше, чем на ТЭС на жидком топливе. Устанавливаться такие ВЭУ могут на открытых равнинных местах. Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт для автономного энергоснабжения жилых помещений, ферм и других потребителей могут применяться в странах с высоким жизненным уровнем.

Территория Республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильная скорость ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1.5-2.5% ветровой энергии. Поэтому ветроэнергетику можно рассматривать в качестве вспомогательного энергоресурса, решающего местные проблемы, например, отдельных фермерских хозяйств. Основными направлениями использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет их применение для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Готовиться к серийному выпуску ветроустановка ротационного типа (рис.3.7) мощностью 5-8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3.5 м/с. Разрабатывается и готовиться к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом. Автономные ВЭУ обязательно должны комплектоваться резервными источниками электроэнергии или аккумуляторными батареями.

 

3.3. Энергия биомассы.

Под действием солнечного излучения в растениях образуется органические вещества и аккумулируется химическая энергия. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные существуют за счет прямого или косвенного получения энергии и вещества от растений. Этот процесс соответствует трофическому уровню фотосинтеза. В результате фотосинтеза происходит естественное преобразование солнечной энергии.

Вещества, из которых состоят растения и животные, называют биомассой. Посредством химических или биохимических процессов биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Продукты сгорания биотоплива путем естественных экологических или сельскохозяйственных процессов вновь превращаются в биотопливо. Система круговорота биомассы показана на рис.3.8.


Энергия биомассы может использоваться в промышленности, домашнем хозяйстве. Так, в странах, поставляющих сахар, за счет отходов его производства покрывается до 40% потребностей в топливе. Биотопливо в виде дров, навоза и ботвы растений применяется в домашнем хозяйстве примерно 50% населения планеты для приготовления пищи, обогрева жилищ.

Существуют различные энергетические способы переработки биомассы:

Ø термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);

Ø биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная переработка, биофотолиз);

Ø агрохимические (экстракция топлива).

Получаемые в результате переработки виды биотоплива и ее КПД приведены в таблице 3.1.

 

 

Источники биомассы и производимые биотоплива

Таблица 3.1

Источник биомассы или топлива Производимое биотопливо Технология переработки КПД переработки, %
Лесоразработки теплота сжигание
Отходы переработки древесины теплота газ нефть уголь сжигание   пиролиз  
Зерновые солома сжигание
Сахарный тростник, сок этанол сбраживание
Сахарный тростник, отходы жмых сжигание
Навоз метан анаэробное разложение
Городские стоки метан анаэробное разложение
Мусор теплота сжигание

 

В последнее время появились проекты создания искусственных энергетических плантаций для выращивания биомассы и последующего преобразования биологической энергии. Для получения тепловой мощности, равной 100 Мвт, потребуется около 50 м2 площади энергетических плантаций.

Более широкий смысл имеет понятие энергетических ферм, которое подразумевает производство биотоплива как основного или побочного продукта сельскохозяйственного производства лесоводства, речного и морского хозяйства, промышленной и бытовой деятельности человека.

В климатических условиях Беларуси с 1га энергетических плантаций собирается масса растений в количестве до 10 т сухого вещества, что эквивалентно примерно 5т у.т. при дополнительных агроприемах продуктивность 1га может быть повышена в 2-3 раза. Наиболее целесообразно использовать для получения сырья выработанные торфяные месторождения площадь которых в республике составляет около 180 тыс. га. Это может стать стабильным, экологически чистым и биосферно-совместимым источником энергетического сырья.

Весьма многообещающе для Беларуси использование в качестве биомассы отходов животноводческих ферм и комплексов. Получение из них биогаза может составить на уровне 2000 г. около 890 млн. куб. м в год, что эквивалентно 160 тыс. т у.т.

Сдерживающим фактором развития биогазовых установок в республике являются продолжительные зимы, большая металлоемкость установок, неполная обеззараженность органических удобрений.

В жилых и общественных зданиях (школах, вузах, детсадах, магазинах, столовых и т.д.) образуются твердые бытовые отходы (ТБО). Содержание органического вещества в них составляет 40-75%, углеводов - 35-40%, зольность - 40-70%. Горючие компоненты в ТБО равны 50-88%. Их теплотворная способность - 800-2000 ккал/кг. Бытовые отходы содержат такие трудноразлагаемые химические элементы, в их числе хлорорганические и токсичные. В большей степени ТБО обогащены кадмием, оловом, свинцом и медью.

В мировой практике получение энергии из ТБО осуществляется сжиганием или газификацией. В Японии, Дании, Швейцарии сжигается около 70% твердых бытовых отходов, остальная часть складируется на полигонах или компостируется. В США сжигается около 14% ТБО, в Германии - 30%, Италии - 25%.

В Республике Беларусь ежегодно накапливается 2.4 млн.т ТБО с потенциальной энергией 470 тыс. т у.т. Учитывая бедность республики энергетическими ресурсами, необходимо вовлечь ТБО в ее энергопотенциал путем применения прогрессивных технологий, заимствованных из опыта других стран либо развернуть исследования и создать собственные технологии переработки ТБО.

Общие возможности экономии ТЭР за счет применения нетрадиционных и возобновляемых источников для условий РБ ограничены. Они оцениваются в 200-540 тыс. т у.т. в год, т.е. порядка 0.5-1% общих потребностей Беларуси в ТЭР. Основными потребителями возобновляемых энергоресурсов могут стать объекты сельского хозяйства. Возобновляемые источники энергии могут решать в основном локальные задачи энергообеспечения и служить необходимым дополнением к традиционной энергетике на органическом топливе и ядерной энергетике.

 

Тема 4. Вторичные энергетические ресурсы

4.1. Классификация вторичных энергетических ресурсов.

 

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов.

Рациональное использование вторичных энергетических ресурсов является одним из крупнейших резервов экономии топлива, способствующим снижению топливо- и энергоемкости промышленной продукции. ВЭР могут использоваться непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения потребности в топливе и теплоте или с изменением энергоносителя путем выработки теплоты, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

По виду энергии ВЭР разделяются на 3 группы:

· Горючие (или топливные) ВЭР (отходы, содержащие углеродные и углеводородные включения: доменный газ, городской мусор, органические отработанные растворители и т.д.);

· Тепловой ВЭР (любые теплоносители, имеющие температуру выше температуры окружающей среды, способные передать тепло для последующего использования: горячие газы и жидкости, являющиеся промежуточными или сбросными в данном технологическом процессе);

· ВЭР избыточного давления (газы и жидкости под давлением, которое можно использовать перед сбросом в окружающую среду).

Энергетический потенциал ВЭР реализуется в утилизационных установках (котлы-утилизаторы, теплообменники, печи, турбины и т.д.).

4.2. Источники вторичных энергетических ресурсов.

Использование вторичных энергетических ресурсов.

 

Наибольшими тепловыми вторичными энергетическими ресурсами располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической промышленности, промышленностью строительных материалов, газовой промышленностью, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства. В этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов.

В зависимости от видов и параметров рабочих тел различают четыре основных направления использования ВЭР:

· топливное (непосредственное использование горючих компонентов в качестве топлива);

· тепловое (использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве вторичных энергетических ресурсов, или теплоты или холода, вырабатываемых за счет вторичных энергетических ресурсов в утилизационных установках или в абсорбционных холодильных установках;

· силовое (использование механической или электрической энергии, вырабатываемой в утилизационных установках (станциях);

· комбинированное (использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР).

Современный этап развития техники характеризуется разработкой и широким использованием достаточно надежных типов оборудования для утилизации тепловых ВЭР. При создании такой техники возникают объективные трудности, связанные в основном с различными ограничениями в транспортировке теплоты, выработанной за счет средне- и низкопотенциальных ВЭР, и необходимостью ее использования вблизи мест образования тепловых отходов. В то же время промышленные отходы в виде средне- и низкопотенциальных ВЭР поистине огромны (сбросная горячая вода, нагретые продуктовые потоки, уходящие газы средней температуры, вторичный и отработанный пар, конденсат и т.д.).

Как показывает отечественная и мировая практика, наиболее полное и экономически эффективное использование средне- и низкопо­тенциальных ВЭР промышленного производства осуществимо в первую очередь с помощью тепловых насосов, термокомпрессоров и трансформаторов теплоты.

Применение теплонасосных установок и трансформаторов для утилизации тепловых ВЭР и других местных низкотемпературных источников теплоты позволяет на 20...60 % снизить расходы топлива. Надо иметь в виду, что за рубежом в настоящее время уже работает несколько миллионов теплонасосных отопительных систем. Эти системы используют не только тепловые отходы производства, но и теплоту окружающего воздуха, грунта, воды рек, озер и других водоемов, сточных вод и коммунальных стоков и др. Теплонасосные установки и термо-трансформаторы за счет использования теплоты низкопотенциальных источников могут снабжать теплотой нужного потенциала и такие производственно-технологические агрегаты, как моечные машины, сушильные установки, выварочные ванны, устройства для подогрева и регенерации масел, системы очистки, обмывки и сушки подвижного состава на транспорте, системы разогрева смерзшихся грузов и удаления их остатков из вагонов и цистерн и др. Следовательно, теплонасосные установки, или термотрансформаторы, могут заменить такие традиционно используемые генераторы среднепотенциальной теплоты, как малоэкономичные паровые или водогрейные котлы, а также бойлерные или калориферные системы, питающиеся от местных либо центральных котельных.

Тепловые насосы, работающие на низко- и среднепотенциальных тепловых ВЭР, применяются также для выработки холода, который необходим как в нефтеперерабатывающей промышленности, в химических и нефтехимических производствах, так и для кондиционирования воздуха в промышленных и жилых помещениях в летний период.

Рис.4.1 Комбинированная схема использования тепловых ВЭР производства для выработки холода: 1 – тепловой насос;2 – холодильная машина.

Наиболее распространенными являются варианты выработки энергии (тепловой или электрической) за счет ВЭР в тепловом насосе или трансформаторе с дальнейшим использованием ее в холодильной установке (рис.4.1).

В целом следует отметить, что для установок утилизации тепловых ВЭР характерно энергокомбинирование, т.е. комплексность в решении проблемы использования различных источников теплоты.

Низкопотенциальные тепловые отходы (отработанный и вторичный пар, теплый влажный воздух, конденсат и другие виды ВЭР) удобнее и экономичнее улавливать и преобразовывать с помощью термохимических трансформаторов. Самый общедоступный источник низкопотенциальной теплоты — окружающая среда, атмосферный воздух, естественные водоемы, геотермальные воды и т.п. Кроме того, огромный резерв теплоты одержит оборотная и повторно используемая вода систем охлаждения машин и рабочих тел в различных технологических процессах. Такая вода имеет температуру 20..40°С. что не позволяет использовать ее теплоту непосредственно, Выделение же ее в атмосферу (в масштабах страны до 4 млрд ГДж в год) наносит природе большой урон из-за теплового загрязнения биосферы. Таким образом, утилизация таких источников теплоты низкого потенциала - вопрос не только экономии первичных источников энергии (топлива), но и решение задачи охраны окружающей среды. Решение таких вопросов станет возможным в ре­зультате замены градирен и других охладителей оборотной воды испарителями тепловых насосов и термотрансформаторов. В этом и состоит наиболее рациональное использование тепловых отходов для удовлетворения потребностей в энергии при сокращении расхода топлива на цели теплофикации. Следует лишь провести тщательное технико-экономическое обоснование выбора схемы теплоснабжения с учетом конкретных источников теплоты, имеющихся в наличии у потребителей, а также сделать обоснованный выбор теллонасосной установки параметров (за счет тепловых ВЭР вместо дополнительных котельных на первичной энергии) сводится к определению дополнительных капитальных затрат и ежегодных расходов на проектируемую ТЭЦ с котлами-утилизаторами, используемыми для теплоснабжения, и сравнению их с такими же затратами, но при установке дополнительно тепловых насосов для комбинированного энергопроизводства. Это значит, что применение тепловых насосов окажется рациональным.

Рис. 4.2 Схема теплонасосного отопления с использованием теплоты водоемов: И — испаритель; К — конденсатор; КМ — компрессор; ДР — дроссель; Н — насос; ОП — отапливаемые помещения; РО — радиатор отопления

 

 

Для отопления жилых и производственных помещений в зимний период экономически целесообразны тепловые насосы по парожидкостной схеме.

 
 

Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием теплоты естественных водоемов приведена на рис.4.2. Последняя схема пригодна и для получения теплоты отопления из грунта

Рис.4.3 Схема с комбинированным использованием теплоты грунта и

солнечной радиации

или сточных вод. Привод компрессора обычно обеспечивается дизелем, поскольку утилизация его тепловых потерь оказывает положительное влияние на показатели отопительной системы в целом. Наиболее распространенной за рубежом является схема с комбинированным использованием теплоты грунта и солнечной радиации (рис. 4.3).

Следует отметить, что уровень внедрения теплонасосных установок в республике еще невелик. Низкопотенциальные ВЭР либо используются очень мало, либо вовсе не находят еще должного применения. Между тем такие тепловые отходы образуются практически во всех отраслях промышленности, на всех предприятиях. Только использование теплоты охлаждающей воды позволит в масштабах страны ежегодно экономить до 50 млн.т. топлива (условного). Это в 2,5 раза превышает экономию, достигаемую от комбинированной выработки энергии на ТЭЦ, и в 5 раз — экономию за счет различных усовершенствований в области производства электроэнергии.

Следовательно, для этого необходимо определить зоны концентрации тепловых выбросов предприятий, провести качественный анализ состава ВЭР и разработать карту тепловых выбросов. Все это позволит не только правильно оценить эффективность использования тепловой энергии потребителями, но и подобрать наиболее рациональную схему возвращения ВЭР в цикл полезного использования.

 


Тема 5. Аккумулирование тепловой и

электрической энергии

5.1. Значение процессов аккумулирования.

 

Устройства для преобразования возобновляемой энергии по сравнению с установками на обычном и ядерном топлив различаются по требованиям к аккумулированию и передаче на расстояние. Такие особенности возобновляемых источников, как низкая интенсивность и рассеянность, делают для них предпочтительным децентрализованное потребление. Более того, энергию от этих источников часто не нужно будет передавать на большие расстояния, так как источники уже распределены в пространстве.

Так как полезность устройств для преобразования возобновляемой энергии основана на переработке независимых от нас естественных потоков, существует проблема приведения в соответствие выработки энергии и потребности в ней в рамкам временного спроса, т.е. в выравнивании скорости потребления энергии. Последняя изменяется во времени в масштаба месяцев (например, для обогрева жилищ в зонах умеренного климата), дней (например, для искусственного освещения) и даже секунд (в моменты включения крупных нагрузок). в противоположность энергетике на традиционном топливе получаемая из окружающей среды мощность возобновляемых источников нам не подконтрольна.

У нас есть выбор: либо подгонять нагрузку к интенсивности. доступной для преобразования возобновляемой энергии, либо накапливать энергию для последующего использования. У нас на выбор самые различные способы аккумулирования:

Ø химические;

Ø тепловые;

Ø электрические, в форме потенциальной или кинетической энергии.

Аккумулирование энергии - не новая концепция в энергетике. Ископаемые топлива в этом смысле являются эффективным аккумулятором с высокой плотностью энергии. Однако по мере того, как источники топлива становятся все менее доступными и все более дорогими, появляется необходимость в развитии других методов аккумулирования, и в качестве одного из них - производства возобновляемого топлива.

 

5.2. Химическое аккумулирование.

 

Энергия может удерживаться в связях многих химических элементов и выделятся в процессе экзотермических реакций, из которых наиболее известно горение. Иногда необходимо применить для запуска такой реакции предварительной нагревание или катализаторы (например, энзимы). Биологические компоненты представляют особый случай. Здесь речь идет лишь о неорганических соединениях, являющихся наиболее распространенными аккумуляторами, энергия которых выделяется при сгорании в воздухе.

Водород.Может быть получен путем электролиза воды с помощью любого источника тока. В виде газа он может быть накоплен, передан на расстояние и сожжен для получения тепловой энергии. Единственным продуктом сгорания водорода является вода: не образуется никаких загрязняющих веществ. Энтальпия образования водорода Н=-242 кДж/моль, т.е. при образовании 1 моля Н2О (18 г) выделяется 242 Дж тепловой энергии. Хранить водород в больших количествах непросто. Наиболее обещающий способ - использование подземных каверн, подобных тем, из которых добывается природный газ. Но хранение газа - даже под высоким давлением - требует значительных объемов. Необходимо заметить, что водород можно передавать через разветвленную сеть трубопроводов, используемых сейчас для подачи природного газа во многих странах мира. Кроме того, существует возможность с большой эффективностью использовать его для непосредственного получения электроэнергии с помощью топливных элементов.

Аммиак.В отличие от воды аммиак может быть разложен на составляющие элементы при доступных температурах:

N2 + 3H2 Û 2NH3

В сочетании с принципом теплового двигателя эта реакция может стать основой наиболее эффективного способа непрерывного получения электроэнергии за счет использования солнечного тепла.

 

5.3. Аккумулирование тепловой энергии.

 

Использование низкотемпературного тепла составляет существенную часть мирового потребления энергии. Существенно не обязательно использовать для обогрева высокотемпературные источники энергии, которые гораздо лучше сберечь для других целей. Для обогрева жилищ больше подходят пассивные приемник солнечного тепла в сочетании с тепловыми аккумуляторами, поддерживающими комфортные условия по ночам и в пасмурные дни. Более того, именно в тех случаях, когда, энергия используется при низких температурах, характерных для среды, ее особенно ценно накапливать в форме тепла. Тепловое аккумулирование плодотворно и при использовании "отходов" тепла, возникающих в процессе работы различных установок.

Рис. 5.1 Грунтовый аккумулятор тепла
Запастись на три месяца теплом для обогрева жилого дома - вполне решаемая задача. Правда при этом важно не только сделать хороший проект, но и грамотно его реализовать. В частности, необходимо качественно выполнить теплоизоляцию и предохранить дом от сырости, снабдить его управляемой системой вентиляции (возможно, с рециркуляцией тепла), использовать все "отходы" тепла от освещения, приготовления пищи, жизнедеятельности самих обитателей. Существуют примеры подобных высокотехнологичных домов, обладающих кроме всего прочего прекрасной архитектурой и создающих идеальные условия для жизни. Отметим, что в качестве аккумулирующей тепло среды предпочтительнее использовать вместо воды скальные породы.

На рис.5.1. показан пример использования аккумулятора тепла в виде грунтового теплообменника.

В течение короткого периода продолжительностью до четырех дней сами здания можно использовать в качестве аккумуляторов тепла. При проектирование зданий для стран с жарким климатом важное применение по аналогии с созданием запасов тепла может найти аккумулирование холода.

Известно, что использование аккумулирования тепла в широком масштабе высокоширотными морскими странами позволило бы решить проблемы снабжения теплом за счет развития ветро- и волноэнергетики. Оба эти источника наиболее производительны зимой, а их мощность, хотя и изменяется периодически час от часу, редко существенно падает более чем на несколько дней. Значительно большей теплоемкостью в ограниченном интервале температур по сравнению с системами использующие поглощение тепла, обладают материалы, при изменении температуры изменяющие фазовое состояние. Например, глауберову соль (Na2SO4×10H2O) можно использовать для аккумулирования тепла уже при комнатной температуре. При 32 оС она разлагается на насыщенный раствор N2SO4 с выпадением части Na2SO4 в осадок. Эта реакция обратима и дает 250 кДж/кг » 650 МДж/м3 тепловой энергии. Так как большая часть стоимости аккумуляторов для обогрева зданий связана со стоимостью конструкций, такие аккумуляторы могут оказаться дешевле, чем водяные емкости с более низкой удельной плотностью запасания энергии. К сожалению, еще не разрешены некоторые трудности при создании подобных аккумуляторов.

 

5.4. Аккумулирование электрической энергии.

 

Электричество - наиболее совершенная форма энергии, и поэтому в направлении поисков дешевых и эффективных методов его аккумулирования делаются огромные усилия.

Устройство допускающее как поглощение, так и выдачу электроэнергии, называют электрической аккумуляторной батареей или электрическим аккумулятором.

Электрические аккумуляторы являются существенной частью почти всех фотоэлектрических и небольших ветроэнергетических установок, ведутся работы по созданию эффективных аккумуляторов для транспортных средств.

Свинцово-кислотный аккумулятор. Хотя многие электрохимические реакции обратимы, только некоторые из них на практике подходят для создания аккумуляторов, которые бы допускали бы сотни циклов при зарядно-разрядных токах от 1 до 100 А. Наиболее известен и широко используется свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный Планте в 1860 г.

Такой аккумулятор набирается из отдельных элементов. Как и в любом электрохимическом элементе, здесь имеются две пластины-электроды, помещенные в проводящий раствор-электролит. В случае свинцово-кислотного аккумулятора электроды формируют в виде сеток, ячейки которых заполнены пастами из свинца и диоксида свинца. В качестве электролита используется серная кислота.

На практике нельзя допускать разряда аккумулятора более чем на 50% от запасенной энергии, в противном случае он будет разрушаться. Такие разряды называют "глубокими разрядами".

Топливные элементы. Топливный элемент преобразует химическую энергию топлива непосредственно в электрическую, минуя промежуточную стадию сжигания. Так как преобразование тепло-работа здесь отсутствует, эффективность топливных элементов не подпадает под ограничение второго закона термодинамики, как это происходит в обычных системах топливо - тепло- работа - электроэнергия. Теоретически КПД преобразования химической энергии в электрическую может достигать 100%.

Аналогично аккумулятору топливный элемент имеет два электрода, разделенных электролитом, переносящим ионы, а не электроны. Водород (или другой преобразуемый компонент) подводится к отрицательному электроду, а кислород (или воздух) - к положительному. В результате катализа на пористом аноде молекулы водорода разлагаются на водородные ионы и электроны. Ионы Н+ мигрируют через электролит (обычно кислота) к катоду, где соединяются с электронами, поступающими через внешнюю цепь, и с кислородом, образуя воду.

Эффективность реального топливного элемента значительно ниже теоретических 100% во многом по тем же причинам, что и у электрического аккумулятора. Однако эта величина - вероятное значение для преобразования химической энергии в электрическую (40%) - не зависит от того, работает топливный элемент на полную мощность или нет (в отличие от дизельных двигателей, газовых турбин и т.д.)

Крупномасштабные топливные элементы не дают существенной экономии. Это связано с тем, что соединенные в батареи отдельные топливные элементы имеют примерно такой же КПД. В связи с эти считается предпочтительным создание сравнительно небольших станций местного значения мощностью до 100 кВт. Интересно, что отдельное здание можно было бы с помощью топливных элементов обеспечивать и электроэнергией, и теплом (оно выделяется при работе топливных элементов) при том же расходе топлива, которое в обычных условиях тратится только на обогрев.

Основной причиной, по которой топливные элементы не находят пока широкого применения, является их высокая установочная стоимость (более 2000 долл./кВт).








Дата добавления: 2015-01-24; просмотров: 6585;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.055 сек.