Возобновляемые источники энергии

2.2.1. Солнечная энергия

Самыми мощными источниками энергии являются Солнце и звезды.

С поверхности Солнца ежесекундно излучается энергии 3,8·10²⁶ джоулей. Примерно половина этой энергии приходится на видимый спектр излучения, остальная часть – на инфракрасные и тепловые лучи.

Количество солнечной энергии, падающей на единицу нормальной к лучам поверхности, находящейся за пределами атмосферы, в единицу времени, называется с о л н е ч н о й п о с т о я н н о й. Солнечная постоянная зависит от расстояния до Солнца и на верхний слой земной атмосферы приходится в среднем 1353 Вт/м². До поверхности Земли доходит значительно меньше энергии, так как она поглощается атмосферой, отражается облаками, преломляется в воздухе. Несмотря на это, лучистый поток от Солнца в безоблачный день внушителен. Так, например, солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) площадью в 1 м² с коэффициентом полезного действия

15 % выдает в безоблачный день 0,25 кВт электроэнергии.

Значительная часть солнечной энергии, достигающей Земли, без вмешательства человека участвует в образовании биомассы растений

(ф и т о м а с с ы). Фитомасса, являясь своеобразным аккумулятором, обладает энергетическим потенциалом, превышающим приблизительно в 20 раз энергию полезных ископаемых земной коры. С участием человека солнечная энергия используется при производстве сельскохозяйственной продукции растительного происхождения. В меньшей степени пока нашло прямое преобразование солнечной энергии в теплоту (тепловые гелиоустановки) и электроэнергию (термоэлектрогенераторы). Эти и другие преобразователи солнечной энергии достаточно подробно изложены в работах [1] и [2].

Важнейшим достоинством солнечной энергии являются ее возобновляемость, безвредность для окружающей среды и отсутствие необходимости в средствах ее доставки. Недостаточное использование солнечной энергии на территории России связано с малой плотностью лучистого потока, его неравномерности из-за смены дня и ночи и перемен погоды. Однако, решение проблем, связанных с концентрацией солнечной энергии и ее аккумуляцией, открывает широкую перспективу для этого вида неисчерпаемой энергии.

2.2.2. Энергия движения воздуха в атмосфере

Движение воздуха в атмосфере возникает вследствие неравномерного горизонтального распределения давления, которое, в свою очередь, обусловлено неоднородностью температурного поля у земной поверхности. Горизонтальную составляющую этого движения называют в е т р о м. Ветер характеризуется скоростью и направлением. При скорости 5…8 м/с ветер считается умеренным, свыше 14 м/с – сильным. При шторме скорость ветра порядка 20…25 м/с, а при урагане – 60…80 м/с.

Потенциал энергии ветра колоссален: 96·10²¹ Дж, что составляет почти 2% солнечной энергии, падающей на землю. Практическое применение имеет энергия умеренного и сильного ветра. В зонах с умеренным ветровым режимом на 1км² можно получить годовую выработку электроэнергии около 3,6 МДж.

Использовать энергию ветра человечество научилось давно (парусные суда, ветряные мельницы). В настоящее время ветровые силовые установки в основном применяются для выработки электроэнергии. По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации WWEA за 2006 г. в мире функционирует более 40 000 ветроэлектрических агрегатов, суммарная мощность которых превышает 73 900 МВт. В ближайшее десятилетие ожидается увеличение мирового объема инвестиций в ветроэнергетику почти в девять раз.

Блок – схема преобразователя кинетической энергии ветра в какие-либо другие виды энергии представлена на рис. 2.4.

5

2. 4. Блок – схема ветроэнергетической установки:

1 – ветроагрегат; 2 – рабочая машина; 3 – аккумулирующее устройство;

4 – дублирующий двигатель; 5 – блок автоматического управления

Ветроагрегат 1 в комплексе с одной или несколькими рабочими машинами 2 передает энергию либо сразу потребителю, либо в аккумулирующее устройство 3. В случае недостаточной энергии ветра включается в работу неветровой дублирующий двигатель 4. Система 5 выполняет функции автоматического управления и регулировки режимов работы. На рис. 2.5 представлена одна из современных ветроэлектрических установок.

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и возобновляемость. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам движется к установленному на его пути ветродвигателю. Эти особенности ветровой энергии дают предпочтение в ее использовании для относительно мелких (мощностью до 1000кВт) ее потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения и рассосредоточенных по территориям районов. Основные проблемы в использовании ветра, как энергетического источника – это непостоянство его скорости и направления, что усложняет системы автоматического регулирования режимов работы.