авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

Российская академия сельскохозяйственных наук

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский

институт

электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Московский государственный агроинженерный университет

им. В.П. Горячкина (МГАУ)

ФГНУ "Российский научно-исследовательский институт

информации и технико-экономических исследований

по инженерно-техническому обеспечению АПК" (ФГНУ "РОСИНФОРМАГРОТЕХ") Открытое акционерное общество по проектированию сетевых и энергетических объектов (ОАО "РОСЭП") РАО "ЕЭС России" ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ТРУДЫ 5-й Международной научно-технической конференции (16 - 17 мая 2006 года, г.Москва, ГНУ ВИЭСХ) Часть 4 ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

МЕСТНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ.

ЭКОЛОГИЯ Москва ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ. Труды 5-й Международной на учно-технической конференции (16 – 17 мая 2006 года, г.Москва, ГНУ ВИЭСХ). В 5-ти частях. Часть 4. ВОЗОБНОВ ЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. МЕСТНЫЕ ЭНЕРГОРЕ СУРСЫ. ЭКОЛОГИЯ. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. – 360 с.

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

А.А. Артюшин, член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор техн. наук В.М. Евдокимов, доктор физ.-мат. наук А.А. Ковалев, доктор техн. наук Н.Ф. Молоснов, канд. техн. наук Д.С. Стребков, академик Россельхозакадемии, доктор техн. наук И.И. Тюхов, канд. техн. наук Научный редактор, ответственный за выпуск:

канд. техн. наук, Заслуженный энергетик России Н.Ф. Молоснов ISSN 0131 – © Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрифи кации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ), 2006.

РОЛЬ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ БУДУЩЕГО Академик РАСХН Д.С. Стребков (ГНУ ВИЭСХ) Введение Ресурсы возобновляемой энергии огромны и доступны каж дой стране. Количество солнечной энергии, поступающей на террито рию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана. В России доля солнечной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энер гии, в развивающихся странах 80% [1]. Доля ВИЭ в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти с 6% в 2000 г. до 12% до 2010 г., а установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС) должна увеличиться с 32 МВт пик. до 3000 МВт пик. в 2010 г.



Доля ВИЭ, включая гидроэнергетику, должна составлять 22, 1% в потреблении электроэнергии в странах ЕЭС до 2010 г. В 2003 г. по требление энергии в ЕЭС составляло 2880,8 ТВтч. В 2030 г. прогно зируемая установленная мощность СЭС, использующих фотоэлек трический метод преобразования солнечной энергии в мире составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВт·ч [2]. Возобновляемые источники энергии будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, те плоты и жидкого топлива.

На Саммите на Окинаве, Япония в июле 2000 года лидеры "большой восьмерки" создали международную специальную группу и По терминологии, принятой в ООН, все виды энергии, в основе которых ле жит солнечная энергия, называются возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВЭИ) относятся гидро энергия, солнечная, геотермальная, энергия ветра, энергия приливов и отливов, энергия волн, термальный градиент моря, энергия преобразования биомассы, энер гия, получаемая в результате сжигания топливной древесины, древесного угля, тор фа, энергия использования тяглового скота, энергия, получаемая при сжигании го рячих сланцев и битуминозных песчаников.

группу советников для определения барьеров и подготовки решений для достижения существенных изменений в развитии мировой возоб новляемой энергетики, от России в неё вошли начальник управления научно-технического прогресса Минэнерго РФ Безруких П.П. и ака демик РАСХН Стребков Д.С. В докладе [3], подготовленной специ альной группой и утвержденном лидерами большой восьмерки на Саммите в Генуе в июле 2001 года, поставлена задача за десять лет обеспечить 1,8 млрд. человек в мире энергией с помощью ВИЭ и предложена концепция электрификации сельского хозяйства разви вающихся стран.

Общая стоимость этого проекта оценивается в 200-250 млрд.

долларов. Для сравнения затраты этих 1,8 млрд. человек в собствен ную неэффективную и невозобновляемую энергетику: свечи, кероси новые лампы, печи на твердом и жидком топливе, бензиновые и ди зельные электростанции составляют около 400-500 млрд. долларов за 10 лет [4]. Лидеры большой восьмерки заявили на Саммите в Генуе в июле 2001 года: «Мы будем предусматривать развитие ВИЭ в наших национальных планах и поддерживать исследования и инвестиции в новые технологии».

Целью работы является определение существенных факторов и технологий, определяющих направления и перспективы развития мировой возобновляемой энергетики и её роль в энергетике будуще го. Роль возобновляемой энергии в энергетике будущего определяется возможностями разработки и использования новых физических прин ципов, технологий, материалов и конструкций для создания конку рентоспособных СЭС.

Для того чтобы конкурировать с топливной энергетикой, во зобноляемой энергетике необходимо выйти на следующие критерии:

- КПД солнечных электростанций не менее 20 %.

- Годовое число часов использования мощности солнечной энерго системы должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Сол нечная энергетическая система должна генерировать электроэнер гию 24 часа в сутки 12 месяцев в году.





- Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.

- Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнеч ной электростанции не должна превышать 1000 долл. США.

- Производство полупроводникового материала для СЭС должно По данным МИРЭС в 1993 г. около 1,8 миллиарда людей в мире не имели доступа к коммерческому использованию энергоресурсов.

превышать один млн. тонн в год при цене не более 15 долл.

США/кт.

- Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.

Рассмотрим, в какой степени современные цели и направления развития солнечной фотоэлектрической энергетики отвечают выше указанным критериям.

Повышение эффективности преобразования солнечной энергии Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных элементов (СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет 36, % (фирма Спектролаб, США), для СЭ из кремния 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14 -17%. Sun Power Согр. США начала в 2003 г. производство солнечных элементов из кремния размером 125 х 125 мм с КПД 20%.

В России и за рубежом разрабатывается новое поколение СЭ с предельным КПД до 93%, использующее новые физические принци пы, материалы и структуры. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фотонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в варизонном или каскадном полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Это позволит на 47% снизить потери в СЭ. Для этого разрабатываются:

- каскадные СЭ из полупроводников с различной шириной запре щенной зоны - солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны - солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне.

Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использова нием концентрированного солнечного излучения, созданием полимер ных СЭ, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов [2].

Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД СЭ на основе каскадных гетероструктур в лабо ратории до 40%, в производстве до 26 – 30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 28%, в промышленности до 22%.

Запрещенная энергетическая зона в полупроводнике находится между валент ной зоной и зоной проводимости. Она определяет длинноволновую границу фото эффекта.

Примесные энергетические уровни в запрещенной зоне позволяют увеличивать длинноволновую границу фотоэффекта за счет многофотонного поглощения.

Повышение числа часов использования установленной мощности СЭС Число часов использования установленной мощности в год составляет для тепловых электростанций в среднем 5200 ч, для ГЭС 1000 – 4800 ч. для ВЭС 2000 – 3000 ч., для СЭС 1000 – 2500 ч. [5].

Стационарная солнечная электростанция с КПД 20 %пи ковой мощностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной Рос сии и в Германии 2000 кВт·ч, в пустыне Сахара до 3500 кВт·ч.

При слежении за Солнцем производство электроэнергии при тех же условиях возрастет в России до 2800 кВт·ч/кВт, в Сахаре до 5000 кВт·ч/кВт. Зависимость вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий является ахиллесовой пятой СЭС в конкуренции с электростанциями на ископаемом топливе.

Поэтому до настоящего времени в крупномасштабных проектах и прогнозах развития солнечной энергетики предусматривалось ак кумулирование солнечной энергии путем электролиза воды и на копления водорода.

В нашем институте проведено компьютерное моделирова ние параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с ма лыми потерями (рис. 1). При моделировании использовались дан ные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 20%. На рис. 2 представлен график про изводства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме.

СЭС генерирует электроэнергию круглосуточно и равномерно в течение года. Размеры каждой из трех СЭС составляют 210 х км, электрическая мощность 2,5 ТВт [6].

В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию гло бальной солнечной энергосистемы появились задачи по созданию устройств для передачи тераваттных трансконтинентальных по токов электрической энергии. В конкуренцию между системами передачи на переменном и постоянном токе может вступить тре тий метод: резонансный волноводный метод передачи электриче ской энергии на повышенной частоте, впервые предложенной Н.Тесла в 1897 г [7].

Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой Увеличение срока службы солнечной электростанции Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 – 40 лет. Срок службы полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фо тонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристалличе ской структуры и изменению скорости поверхностной и объемной ре комбинации не основных носителей заряда. Однако солнечные модули (СМ) имеют сроки службы 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате из-за старения полимерных материалов – этиленви нилацета и тедлара, которые используются для герметизации СЭ в мо дуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой конструкции солнечного модуля, разработанной в ВИЭСХе, СЭ помещены в стекло пакет их двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или свар кой. Технология герметизации торцев гарантирует герметичность мо дуля в течение 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптических по терь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жид костью (рис. 3, 4) [9].

Рис. 3. Солнечный фотоэлектрический модуль, изготовленный в ВИЭСХе по технологии бесполимерной герметизации. Размеры 450 х 970 мм.

Электрическая мощность 50 Вт, напряжение 12 В Рис. 4. Солнечный двусторонний фотоэлектрический приемник для стационарного концентратора. Размеры 2 х 0,12 м.

Ожидаемый срок службы 40 лет. Разработано в ВИЭСХ Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля бы ла использована для создания эффективной вакуумной прозрачной теп лоизоляции (ВПТИ). ВПТИ состоит из двух сваренных по торцам пла стин стекла с вакуумным зазором 50 мкм. [10]. В таблице 1 представле ны теплоизолирующие характеристики ВПТИ. При наличии инфра красного (ИК) покрытия на внутренней поверхности стекол сопротив ление теплопередачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зданий. Солнечные коллекторы с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60°, а до 90°С, т.е. из устано вок для горячего водоснабжения переходят в новый тип установок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии умень шаются на 50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуум ной прозрачной теплоизоляцией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм.

Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республиках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антици клона при температуре воздуха - 30°С температура селективного по крытия при толщине ВПТИ 10 мм составляет + 30° С. Использование ВПТИ в летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондицио нирование зданий.

Таблица 1. Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий теплиц и солнечных установок Сопротивление Толщина, теплопередачи, Наименование мм м2•°С/Вт Один лист стекла 6 0, Два листа стекла с зазором 16 мм 30 0, Вакуумный стеклопакет 6 0, Вакуумный стеклопакет с ИК - покрытием 6 0, на одном стекле Вакуумный стеклопакет с ИК - покрытием 6 1, на двух стеклах Двойной вакуумный стеклопакет с ИК 12 2, покрытием на двух стеклах Кирпичная стена 2,5 кирпича 300 1, Снижение стоимости солнечной электростанции Стоимость установленного киловатта мощности составляет, долл. США/кВт:

ГЭС 1000 – 2500, ТЭС 800 – 1400, ВЭС 800 – 3000, АЭС 2000 – 3000 [7].

Основными компонентами современных СЭС, определяю щем их стоимость является солнечный модуль, изготавливаемый из СЭ на основе кремния. Стоимость СМ составляет сейчас 3500 – долл. США/кВт при объеме производства 1 ГВт/год, стоимость СЭС 6000 – 8000 долл. США/кВт, стоимость СЭС 1000 долл.

США/кВт прогнозируется достигнуть в 2020 г. [2].

Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД СЭС, увеличение размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное производст во электроэнергии и теплоты на СЭС.

Максимальный размер солнечного модуля ограничен разме рами стекла и составляет сейчас 2,5 х 3 м. при электрической мощ ности 1 кВт. Объем производства СМ растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз.

В России разработана бесхлорная технология производства солнечного поликремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поликремния на европейском рынке (табл. 2) [11]. Сроки создания производства солнечного поликрем ния объемом 1000 – 5000 т в год по новой технологии 2008 – гг.

Таблица 2. Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния Исходные компоненты: этанол и металлургический кремний Si + 3 C2H5OH SiH (OC2H5) 4SiH (OC2H5)3 SiH4 + 3 Si(OC2H5) SiH4 Si + 2H В результате реализации технологии:

Стоимость поликристаллического кремния снижается в 2 раза до 15 долл. США/кг.

Чистота и качество кремния увеличивается в 10 раз до 99,999% Производство становится экологически безопасным В новой технологии в качестве исходных материалов исполь зуются вместо соляной кислоты этиловый спирт и металлургиче ский кремний, а в качестве промежуточных компонентов процесса – триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости происходит бла годаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производ ства, и повышается качество кремния в такой степени, что его мож но использовать в электронной промышленности.

В структуре цены солнечного элемента стоимость кремния и других материалов составляет 76% (табл. 3).

Таблица 3. Структура цены солнечного элемента, % • – 60 % Кремний • – 16 % Другие материалы • –7% Зарплата • – 17 % Инвестиции Всего – 100 % Методы снижения расхода кремния включают увеличение объема и размеров выращиваемых кристаллических слитков крем ния и снижение толщины солнечных элементов. В 2010 г. масса слитка кремния, получаемого методом направленной кристаллиза ции, достигнет 1000 кг, а объем 0,4 м3. Толщина СЭ снизится с мкм в 2000 г до 200 мкм в 2006 г., до 100 мкм в 2010 и до 2-20 мкм в 2015 г.

Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегаватного уровня производства СЭС заключается в использовании концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади СМ. В ВИЭСХе разработаны стационарные концен траторы с коэффициентом концентрации 3.5 – 10 с угловой аперту рой 480, позволяющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации (рис. 5 – 7) [12]. Использование солнечного поликремния низкой стоимости и стационарных концентраторов позволяет сократить сроки достиже ния стоимости 1000 долл. США/кВт с 2020 до 2015 гг.

Комбинированные солнечные электростанции могут обеспе чить производственные и жилые объекты электрической энергией, го рячей водой и теплом. Коэффициент использования энергии Солнца составляет 50-60% при электрическом КПД 10-15%. Использование стационарных концентраторов позволяет увеличить температуру теп лоносителя до 90° и снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт.

На основе концентраторных модулей в ВИЭСХе ведутся проработки соединенных с энергосистемой солнечных микро-ТЭЦ для многоквар тирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также цен тральные стационарные солнечные электростанции для городов, по селков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий. Микро ТЭЦ для автономного энергоснабжения имеет резервный дизельный электрогенератор с утилизацией теплоты от системы охлаждения и вы хлопных газов.

Рис. 5. Солнечный фасад с вертикальным асимметричным солнечным модулем с углом раскрытия 360 :

1 - стеклянное покрытие;

2 - отражатель;

3 - апертурный угол;

4 - двухсторонний приемник;

5 – южный фасад здания;

справа - фотография экспериментального модуля 10 м Фотоприемник Рис. 6. Оптическая схема симметричного стационарногосолнечного концентратора с концентрацией Стоимость солнечного модуля, долл.

США/кВт 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 КПД фотоприемника, % Концентрация 5 Концентрация 10 Концентрация Рис. 7. Стоимость стационарного параболоцилиндрического концентрирующего модуля мощностью 1 кВт, с апертурным углом 36° для северных широт Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энергии и материалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного участка под строительство СЭС.

На рис. 7 представлена зависимость стоимости изготовления кило ватта установленной мощности солнечных модулей со стационар ными концентраторами от КПД. При КПД 20% стоимость производ ства становится значительно меньше 1000 долл. США/кВт.

Увеличение объема производства полупроводникового материала для СЭС При современном объеме производства СЭС 1ГВт/год сол нечные модули из кремния составляют более 85% объема производ ства. По нашим прогнозам, солнечный кремний и в дальнейшем бу дет доминировать в фотоэлектрической промышленности, исходя из принципа: структура потребления ресурсов в долговременной пер спективе стремится к структуре их имеющихся запасов на Земле [13]. Земная кора состоит на 29,5 % из кремния, который занимает второе место по запасам после кислорода.

При объеме производства 100 ГВт в год и расходе солнечного кремния 10 000 т/ГВт мировое потребление кремния составит 1 млн.

тонн в год. Кроме рассмотренной ранее бесхлорной химической технологии получения кремния разрабатываются электрофизические методы восстановления солнечного кремния из особо чистых квар цитов с помощью плазматронов. Развиваются новые технологии по лучения кремния в виде тонких листов, лент, пленок с лазерным раскроем и автоматизацией процесса изготовления СЭ.

Обеспечение экологических характеристик производства СЭС Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования возобновляемой энергии. В этом случае будут также решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электро станций и транспорта, обеспечения качественными продуктами пи тания, получения образования, медицинской помощи, увеличения продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и повышают энергетическую безо пасность и независимость владельцев СЭС за счет бестопливного и распределенного производства энергии.

Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химиче ские процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы. Серь езное внимание уделяется утилизации отходов производства, а так же переработки компонентов СЭС после окончания срока службы [14].

При использовании СЭС органически сочетаются природные ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственно-архитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок.

В ВИЭСХе совместно с предприятиями Минпромэнерго РФ разрабатываются и другие крупномасштабные технологии возоб новляемой энергетики: получение жидкого и газообразного топлива из биомассы методом быстрого пиролиза с выходом топлива более 50% от массы сырья (рис. 8), экологически чистые роторные ветро вые электростанции без лопастей (рис. 9), комбинированные сол нечно-ветро-дизельные электростанции, транспортные средства, ра ботающие на солнечной энергии (рис. 10) и на водороде.

Рис. 8. Общий вид установки для получения жидкого и газообразного топлива и дизель генератор (справа) электрической мощностью 20 кВт Рис. 9. Вихревая электростанция Рис. 10. Солнечные батареи электрической мощностью 12 кВт для электромобиля На рис. 11 показано изменение доли возобновляемой энерге тики в мировом энергопотреблении. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккуму лируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. И сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энер гии, основой которых является солнечная энергия. Новые принципы преобразования возобновляемой энергии, новые технологии солнеч ного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных кон центраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия - 90% долю возобновляемой энергии в мировом производстве энер гии (рис. 11).

% 1700 1800 1900 2000 2100 Годы Рис. 11. Доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии Выводы 1. Существенными факторами, определяющими направления и пер спективы развития возобновляемой энергетики являются:

1.1. КПД СЭС не менее 20%;

1.2. Увеличение срока службы СЭС до 50 лет;

1.3. Снижение стоимости пиковой мощности СЭС до величины, не превышающей 1000 долл.США/кВт;

1.4. В случае использования солнечного поликристаллического кремния в качестве исходного полупроводникового материала СЭС его стоимость не должна превышать 15 долл. США/кг, при объеме производства не менее 1 млн. тонн в год на ГВт СЭС;

1.5. Материалы и технологии СЭС должны быть экологически чистыми и безопасными;

1.6. Обеспечение возможности круглосуточного и круглогодич ного преобразования и использования солнечной энергии.

2. Новые технологии позволяют достигнуть показателей развития возобновляемой энергетики указанных в п. 1.1 – 1.5 в 2015 г., по п. 1.6 в 2100 г.

3. Реализация факторов развития и новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в конце 21 века до 60 – 90%.

Литература 1. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии. // Энергетическая политика, 2001, №2, с.23 – 2. Stefan Novak. Photovoltaic in the world. Status and Future Trends. Chairman IEA PVPS. // Seminar in PV Research & Technological Development in European Union New Member and Candidate States. Warsaw, Poland Nov. 2004.

3. Bezrukikh P.P., Strebkov D.S. et al. 2001 G8 Renewable Energy Task Force Chairmen ‘s Report 61pp. Chaimen Report Annexes 75 pp. Printed by the Italian Ministry of Environment, 2001.

4. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России. // Энергия: экономика, техника, экология. Изд. РАН, 2002, № 9, с. 11-14.

5. Кашфразиев Ю.А. Ветроэнергетические установки в России – роскошь или источник энергии? // Энергия: экономика, техника, экология. Изд.

РАН, 2004, № 10, с. 34 – 6. Strebkov D.S., Irodionov A.E. Global solar power system. // Eurosun – 2004, Freiburg, Germany. 14 Intern. Sonnenforum 2004, Vol. 2 p. 336 – 7. N. Tecla. Electrical Transformer. US Pat. # 593138, 02.11. 8. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электриче ской энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - 185 с.

9. Стребков Д.С., Безруких П.П. Новые экологически чистые энергетиче ские технологии. // Всероссийский энергетический форум «ТЭК России в 21 веке. Актуальные вопросы» Стратегические ориентиры. 18 – 19 де кабря 2002 г. Сборник докладов. М., 2002, с. 95 –98.

10. Стребков Д.С., Заддэ В.В., Шеповалова О.В. Вакуумные стеклопакеты для окон и солнечных коллекторов. // Возобновляемая энергетика. 2004.

№3, с. 12.

11. Strebkov D.S., Zadde V.V., Pinov A.B., Touyryan K., Murphy L. Crystalline Silicon Technology in CIS countries. // 11-th Workshop on Crystalline Sili con Solar Cell Materials and Process. Colorado, August 19-22, 2001, Ex tended abstracts and papers, NREL, 2001, p. 199-207.

12. Strebkov D.S., Litvinov P.P., Tverianovich E.V. Research of functioning of a class of V-shaped stationary concentrators. // Eurosun - 2004. Freiburg, Germany 14 Intern. Sonnenforum, Vol. 2 p. 3-072 – 3- 13. Strebkov D.S., Koshkin N.L. On development of Photovoltaic Power Engi neering in Russia. // Thermal Engineering, 1996, vol. 43, # 5, p. 381-384.

14. Tsuo Y.S. Touyryan K., Gee J.M., Strebkov D.S, Pinov A.B., Zadde V.V.

Environmentally Benign Silicon Solar Cell Manufacturing. // 2-nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion. 6 – July 1998, Hofburg Kongresszentrum, Vienna, Austria, p. 1199-1204.

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ВОДЫ – ИСТОЧНИКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ В.М. Черноок (ГНУ НИИСХ Крайнего Севера, г. Норильск) В современных технологиях добычи и переработки биологиче ских ресурсов, производстве сельскохозяйственной продукции и других отраслях АПК роль энергетических ресурсов чрезвычайно высока, осо бенно в экстремальных условиях Крайнего Севера. Растущая значи мость задач по энергоресурсосбережению во всех отраслях экономики появилась, как реакция на резкое увеличение цен на нефть, газ и уголь.

Возникла острая необходимость экономии энергии и проблема поиска альтернативных путей ее получения на основе новых возобновляемых источников энергии.

В XX в. человечество научилось пользоваться значительным количеством возобновляемых источников энергии, но, тем не менее, потребности в энергии удовлетворяются в основном за счет ископаемых видов топлива. Одним из мощных носителей экологически чистой энер гии является непрерывный круговорот воды в природе, в который во влечены многочисленные и взаимодействующие между собой явления.

Эта сложная система намного превосходит все, что может рассчитать или создать человек. Однако такой уникальный трансформатор, как круговорот воды в природе, представляющий собой глобальный меха низм переноса энергии, не используется в полной мере для нужд чело века. Совершаемый круговорот воды претерпевает множество фазовых превращений, сопровождаемых поглощением или выделением скрытой теплоты, а значит, передачей энергии.

Элементарным процессом фазовых превращений является пе реход воды в лед при низких температурах, которые доминируют дли тельные периоды в естественных условиях на значительной территории Земли и могут быть представлены, как дополнительный неисчерпаемый энергетический ресурс, заменяющий выработку электроэнергии на про изводство искусственного холода. Уникальные природные свойства воды имеют важное значение и в процессах использования возобнов ляемой энергии нетрадиционными способами.

Известно, что каждый килограмм воды при замерзании выделя ет 336 кДж энергии, которая рассеивается в окружающую среду, но мо жет быть применена для нужд человека в холодных климатических районах. Выделение или поглощение скрытой теплоты фазового пере хода системы "вода-лед", сопровождается изменением объема примерно на 10%. Именно изменяющиеся объем и плотность в системе «вода лед» при замерзании дают линейные приращения, способные осуществ лять механическую работу.

Согласно первому закону термодинамики, сумма теплоты Q, которую получает система при нагревании, и работы А, которая со вершается внешними силами, равна изменению внутренней энергии системы (U):

U = Q + A. (1) Соответственно условиям, в которых происходит замер зание воды, изменяется и соотношение слагаемых, определяющих из менения внутренней энергии:

U = ( Q ) + A, (2) U = ( Q ) + AV + A, (3) где Av – работа по перестройке кристаллической решетки;

A – работа, не связанная с расширением и увеличением объема.

Уравнение (2) соответствует фазовому переходу "вода-лед" в естественных условиях на открытых водоемах, поверхности земли и в случаях, когда образующийся лед не испытывает никаких нагрузок, кроме атмосферного давления. Изменение внутренней энергии связано, в основном, с передачей тепла в окружающую среду и работой по пере стройке кристаллической решетки льда. Работа по преодолению сопро тивления атмосферного давления незначительна, и ее можно в этом случае не учитывать. Уравнение (3) характеризует фазовый переход "вода-лед" при наличии нагрузки на образующийся лед, что наблюдает ся в природе - замкнутые полости, трещины горных пород, грунты, буг ры пучения и др. или закрытых сосудах, когда росту льда препятствуют внешние силы, для преодоления которых необходимо совершить значи тельную работу, учет которой обязателен [1].

Таким образом, процессы фазовых переходов термодинамиче ской системы, испытывающей влияние внешних сил, приобретают рез кие отличия от таковых без нагрузки. Возможность получения механи ческой работы выявляется из анализа термодинамических условий фа зового превращения воды в лед. Первое начало термодинамики приме нительно к фазовому превращению записывается [2] в виде:

Q = U + PV + A, (4) где Q - теплота фазового перехода (Q0), U - приращение внутренней энергии (Uн Uк), P V - работа расширения ( Р - давление, V - изменение объема), А - работа не связанная с расширением.

Если фазовый переход протекает в условиях термодинамиче ского равновесия, то А = 0, и теперь имеем:

Q = U + PV, (5) В условиях не отвечающих равновесию, например, когда пере ход воды в лед происходит при Р = 105 Па и Т 0°С, работа А 0 и связана с теплотой фазового перехода уравнением:

A = Q + T (dA / dT ) p. (6) При фиксированном давлении и теплоте фазового перехода ра венство (6) является обыкновенным дифференциальным уравнением.

Разделяя переменные, находим :

T (dA / dT ) = Q + A, (7) A = CT + Qi, (8) где С - постоянная интегрирования, для определения которой введем эталонную температуру Т = 273 К.

Теперь имеем:

C = ( A Qi ) / 273. (9) Из формул (8) и (9) находим величину работы A = [Qi (273 T ) / 273 ] p (10) По уравнению (10) определяем, что А0 при Т273 К, т.е.

А 0. Следовательно, основным условием для получения полезной работы является отклонение процесса льдообразования от тер модинамического равновесия системы расплав - твердый лед. Расчет по формулам (4) и (10) для I кг воды, используя полученные эксперимен тальные значения Т, Р и V, дает существенное различие в прираще нии внутренней энергии системы вода-лед в условиях неравновесия.

При T = 273 К;

Р=105 Па, что соответствует равновесному состоянию, имеем 334 кДж/кг, при Т= 263 К;

Р = 2·108 Па;

имеем 356 кДж/кг, при Т = 253 К;

Р = 2·108 Па;

имеем 390кДж/кг, где A – рассчитывалось по формуле (10).

Для изучения динамики льдообразования нами были выполне ны исследования на специальной установке [3]. Интерпретация полу ченных экспериментальных данных о фазовых переходах воды в лед представляет непростую задачу, на что накладывается недостаток сис тематизированных знаний о них в настоящее время. В целях понимания механизмов, раскрывающих природу кинетических зависимостей, были осуществлены дополнительные опыты, позволяющие визуально наблю дать за оледенением внутренних поверхностей стенок по сечению и длине в экспериментальных стендах. Они проводились по методике [4] в стендах различного диаметра, концы которых заглушались фланцами из прозрачного органического стекла. Этот прямой метод позволил вы явить наличие, по меньшей мере, два различных механизма льдообразо вания, зависящих от диаметра стенда и его длины, т.е. от формы и вели чины поверхности охлаждения. Изучение льдообразования по длине стендов осуществлялось по оригинальной методике [3] в стеклянных трубках, представляющих уникальную возможность через стекло каче ственно регистрировать кристаллизацию льда, теплообмен и движение массы воды, воздуха и других взвешенных частиц. Процесс льдообразо вания по механизму зарождения и увеличения размеров кольцевого льда на стенках сосуда с последующим выталкиванием жидкой фазы может осуществляться в трубках даже с тонкими стенками, не разрушая их, прочность которых в данном случае зависит лишь от величины на грузки со стороны открытой поверхности. Полученные нами в опытах зависимости линейных приращений объема льда в процессе фазового перехода при различных термодинамических параметрах и установлен ные механизмы льдообразования в стендах различных геометрических форм, имеющих одну степень свободы расширения, открывают пер спективы использования этого явления для получения механической энергии.

Многообразие кинетических зависимостей льдообразования от термодинамических параметров в различных условиях позволяют воз действовать на ледовые процессы и регулировать их. Управление тем пами роста льда осуществляется путем изменения условий образования льда. Предельно достижимое давление в замерзающем водном ядре с образованием обычного льда I гексагональной структуры огромно и может быть при температуре ниже -22°С 2104 МПа (если обеспечена целостность оболочки) [5]. Сила давления льда разрушает очень проч ные сооружения и здания, инженерные коммуникации, радиаторы ото пления, блоки двигателей внутреннего сгорания, трубы и т.д. Данные давления трудно достижимы механическими средствами, но до сих пор остается практически неиспользуемой работа, которая совершается во дой при ее замерзании.

Воздействие льда на производство и жизнедеятельность челове ка оценивалось негативно, а решение инженерных задач чаще связыва лось с преодолением вредного воздействия льда. Однако, лед и явления, связанные с его существованием и динамикой, могут быть представле ны в позитивном плане как природные ресурсы доступные при низких температурах для разнообразного использования человеком [6]. Как показано выше, процессами льдообразования можно управлять с помо щью технических средств и получать полезную работу. Наиболее ра циональной и легко доступной областью применения устройств, ис пользующих энергию фазовых переходов вода – лед являются условия, где требуются значительные усилия и сравнительно малые скорости.

Внедрение известных приемов использования естественного холода в практику [6] – важное направление энергоресурсосбережения в отраслях АПК. В условиях Сибири, где большая часть года характери зуется низкими температурами, в некоторых случаях выгоднее не бо роться с холодом, а ориентироваться на низкотемпературное тепловое аккумулирование, связанное с хладоснабжением, теплозащиту, воспол нение теплопотерь при водоснабжении, строительство специальных сооружений (дамбы, дороги, склады-холодильники и др.). Изыскание полезных свойств природной среды, продиктованное осознанной необ ходимостью рационального природопользования, является актуальной задачей.

Литература 1. Пехович А.И., Разговорова Е.А. Льдообразование под давлением в природе. // Инженерное мерзлотоведение: Матер. III Междунар. конф. по мерз лотоведению. – Новосибирск, 1979.

2. Алексеев Г.Н. Общая теплофизика – М, 1990.

3. Черноок В.М. Энергетические ресурсы и рациональное природо пользование.// Научное обеспечение рационального природопользования Ени сейского Севера, Новосибирск, 2001.

4. Jilpin R.R. A study of pipe freezing mechanisms/ - jn.: Proc/ symposium Utilities delivery in arctic regions, Edmontn, 1976.

5. Вейнберг Б.П. Лед.-М.-Л.: Гостехтеориздат, 1940.

6. Файко Л.И. Использование льда и ледовых явлений в народном хо зяйстве. Красноярск, 1986.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Канд. техн. наук. А. К. Сокольский, канд. техн. наук.

В.П. Тарасов, канд. техн. наук. А.Е. Иродионов (ГНУ ВИЭСХ) Гибридные энергосистемы разрабатываются для электро снабжения потребителей, находящихся в отдаленных, не имеющих централизованного электроснабжения, районах. Эти автономные системы обычно включают в себя больше одного источника энер гии;

таких как ветроагрегат (ВА), фотобатарея (ФБ), дизель генератор (ДГ) и др.

При разработке модели гибридной системы электроснабже ния необходимо указать те граничные условия, которым они долж ны соответствовать при работе на потребителя. Если рассматривать идеальную систему электроснабжения с ДГ, то потребление дизель ного топлива должно быть прямо пропорционально обеспечиваемой нагрузке. Включение в систему дополнительных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) будет создавать эффект уменьшения на грузки на ДГ, т.е. вести к снижению потребления топлива. Если бы нагрузка точно соответствовала выработке электроэнергии на ВИЭ, то выработка электроэнергии на ДГ могла быть сведена к 0. С целью эффективной работы гибридной системы вся энергия, производимая ВИЭ, должна быть полезно использована либо на покрытие нагруз ки, либо накоплена в аккумуляторах. Для описания работы гибрид ных систем автономного электроснабжения могут быть сформули рованы следующие положения.

1. Максимум энергии ВИЭ, которая может быть использована, ограничен нагрузкой.

2. Использование энергии, выработанной ВИЭ, будет ограниче но из-за несовпадения во времени графика нагрузки и выработки электроэнергии. АБ увеличивает полезное использование энергии, выработанной ВИЭ.

3. Эффективность ДГ фактически всегда снижается с уменьше нием нагрузки, т.е. максимальная экономия топлива, получаемая от использования ВИЭ, не бывает больше, чем пропорциональное сни жение расхода топлива дизелем при их совместной работе.

4. Пределом эффективности работы гибридной системы по эко номии топлива является система с идеальным ДГ, т.е. когда расход топлива пропорционален нагрузке.

В общем случае, гибридная система может содержать ДГ пе ременного или постоянного тока, систему распределения перемен ного или постоянного тока;

нагрузки;

ВИЭ;

аккумуляторная батарея (АБ);

преобразователи мощности;

конверторы;

демпфирующие на грузки и пр. Каждый из этих элементов гибридной системы можно смоделировать с максимальным приближением к реальным услови ям.

При моделировании рассматривают средние значения раз личных параметров и их расчетные значения для каждого интервала времени. Принимается, что они, расчетные значения, имеют произ вольное отклонение относительно средней величины, и кроме того, могут быть описаны функцией плотности вероятностей. В большин стве случаев, используется нормальная (Гауссова) функция плотно сти вероятностей, а также применяется функция Вейбулла.

Плотность распределения вероятностей используется в пре делах интервала времени, чтобы найти:

1) ожидаемое максимальное или минимальное значения раз личных параметров, 2) интервал времени, значение которого будет в пределах некоторого диапазона, 3) количество энергии, которая может требоваться в преде лах некоторого диапазона.

Основная задача метода вероятностей заключается в опреде лении характеристики нагрузки сети в каждый интервал времени. В этом процессе участвуют следующие величины:

1) Скорость ветра и нагрузка в форме нормального распре деления;

2) Скорость ветра (и энергия ветра), независимая от нагруз ки;

3) Выработка энергии одним ветроагрегатом (ВА);

может быть оценена по заданной скорости ветра;

4) Средняя нагрузка ДГ = Средняя нагрузка – Средняя энер гия ветра;

5) Дисперсия нагрузки ДГ – зависит от дисперсии внешней нагрузки и дисперсии энергии ветра.

Существенной особенностью метода является то, что при этом рассчитывается энергетический баланс в каждом интервале времени. Это гарантирует, что энергия сохраняется в течение всего времени моделирования, и что модель – внутренне непротиворечи ва. Сумма всех источников энергии (ДГ, ВА, ФБ и АБ) должна рав няться сумме всех потребителей энергии.

Моделирование колебаний энергии ветра Колебания энергии ветра определяют из средней энергии ветра, колебаний скорости ветра в интервале и фактора ответной турбулентности ВА. Они характеризуются коэффициентом вариа ции энергии ветра.

V P = P FWPT V где P = Коэффициент вариации энергии ветра, кВт P = Средняя энергия ветра в интервале, кВт FWPT = Фактор ответной турбулентности энергии ветра V = Коэффициент вариации скорости ветра, м/с V = Средняя скорость ветра в интервале, м/с Все мощности осредняются, чтобы получить единственное значение для банка данных. Затем определяем мощностную харак теристику путем объединения всех средних точек. Случайно взятые мощностные характеристики, с заметно меньшими осредненными интервалами времени, могли бы использоваться в вычислениях для моделирования гибридной энергосистемы. Используется процедура, при помощи которой определяется энергетическая характеристика на коротких промежутков времени, и где могла быть скорректиро вана для апроксимации другая кривая, с использованием более длинных промежутков времени.

Принимая, что осредненный интервал используемый для по лучения энергетической характеристики = t1, средняя мощность Pt1 (V1), для любой заданной средней скорости ветра V1, будет равна:

Pt1 (V1 ) = P(V ) p1 (V1 )dVi здесь вероятность распределения скорости ветра вычисляет ся по формуле:

1 V V 1 2 V p1 (V1 ) = e V и S ( f )df, = V f lo, и где flo,1 = 1/t1, с- V1 = скорость ветра, осредненная в интервале времени t1, м/с Основной исходной информацией при моделировании коле баний энергии ветра является запись наблюдений хода ветра и по вторяемость скоростей ветра.

Моделирование ветроагрегата Работа ВА моделируется по мощностной характеристике (рис.1), которая определяется средней скоростью ветра и средней энергией генератора в течение осредненного интервала времени, при стандартных атмосферных условиях. Для ВА характерны скорость ветра включения, при которой ВА начинает вырабатывать энергию, расчетная скорость ветра, при которой ВА вырабатывает номиналь ную мощность, и буревая скорость ветра, при которой ВА отключа ется в целях безопасности (см рис.1).

Также должен быть определен интервал времени, в течение которого, скорость ветра и энергия ветра осреднялись для получения мощностной характеристики ВА. Если этот период различен для ка ждого шага времени, мощностная характеристика может быть скор ректирована.

Когда шаг интервала времени модели такой же, как осред ненное время, средняя мощность ВА при любой скорости дается как линейная интерполяция между точками на характеристике. В интер поляции используются ближайшие пары с любой стороны заданной скорости ветра. Предполагаем, что заданная скорость ветра равна V, и лежит в интервале Vi V Vi+1, где индекс i показывает, какая па ра точек из серии точек на мощностной характеристике является граничной. Тогда мощность ВА на расчетном интервале равна:

P = (Pi+1 – Pi) [(V – Vi) / (Vi+1 – Vi)] + Pi PВА, кВт м/с Мощностная характеристика V, м/с Рис. 1. Энергетическая характеристика ВА Моделирование фотобатареи (фотоэлементов) Моделирование выработки энергии фотобатарей основыва ется на вольт-амперной характеристике (ВАХ) фотоэлектрического модуля. Рассматривается как основная модель фотомодуля с одним диодом, которая достаточно полно отражают специфику PV (фото электрических) систем преобразования солнечной энергии, а также позволяет учитывать влияние интенсивности солнечной радиации и нагрева солнечных элементов на выходную мощность фотобатареи.

Фотомодули допускают как последовательное, так и параллельное соединение, что обеспечивает получение необходимых выходных значений тока и напряжения.

Модель включает комбинацию четырех параметров:

IL = Ток фотопреобразователя.

Io = Ток насыщения на диоде.

Rs = Сопротивление последовательных соединений.

A = Коэффициент ВАХ.

Для случая постоянной температуры и неизменной солнеч ной радиации, вольт-амперная характеристика фотопреобразователя в рамках этой модели будет:

V + IRS I = I L I 0 [e 1] A а мощность определяется как:

P = I V / где P = Мощность, кВт I = Ток, A V = Выходное напряжение, В Более полное уравнение, соответствующее рис.2, включает дополнительное сопротивление и имеет вид:

V + IRS V + IRS I = I L I D I sh = I L I 0 [e 1] A Rsh где ID = Ток через диод, A Ish = Ток через дополнительное сопротивление, A Ток, А Рабочая точка Нагрузка ФБ Напряжение, В Рис. 2 Вольт-амперная характеристика ФБ Моделирование дизель-генератора При моделировании ДГ используется линейное соотношение между нагрузкой генератора и расходом топлива, которое справед ливо для многих дизельных установок, и также применяется при мо делировании ветро-дизельных энергосистем. На рис.3 представлена зависимость расхода топлива типового малого ДГ от выработки электроэнергии.

Параметры модели дизельной установки.

Номинальная мощность дизеля: Максимальная, рабочая на грузка на генератор дизельной установки, при работе без перегрузки.

Минимальная мощность дизеля: Минимальная нагрузка ди зельной установки, которая поддерживается длительное время. Не обходима для определения нагрузки других энергетических устано вок, а также для определения размеров демпфирующей нагрузки.

Расход топлива при полной нагрузке Расход топлива, кг/ч Расход топлива ДГ Расход топлива, л/ч Расход топлива без нагрузки Мощность ДГ, кВт Рис. 3. Характеристика расхода топлива ДГ Расход топлива при полной нагрузке: Расход топлива при номинальной мощности. Используется для определения отношения между потреблением топлива и нагрузкой генератора.

Расход топлива без нагрузки: Расход топлива при минималь ной мощности. Используется для определения отношения между потреблением топлива и нагрузкой генератора.

Минимальное время пуска дизеля: Время, за которое ДГ выйдет на номинальные обороты и будет готов воспринять нагрузку.

При моделировании работа ДГ описывается линейным уравнением вида:

F=a+bP где F = Расход топлива, л/ч (кг/ч) P = Мощночть ДГ, кВт a = Расход топлива без нагрузки, л/ч (кг/ч) b = Удельный расход топлива, л/кВтч (кг/кВтч) Результаты моделирования элементов гибридной системы электроснабжения В основе эффективной работы гибридной системы электро снабжения находятся ветроэнергетические и фотоэнергетические ресурсы конкретного места. Поэтому для моделирования элементов системы выбраны три населенных пункта в разных зонах страны, где имеются метеостанции и vср.г 4,0 м/с. Это п. Индига (67,8° с.ш., Архангельская обл.), п. Кулунда (52,2° с.ш., Алтайский край) и п.

Яшкуль (46,2° с.ш., Калмыкия). Моделирование режима работы гиб ридной электростанции мощностью 2 кВт проводилось на ПЭВМ.

Результаты представлены в таблице 1.

Таблица Среднегодовая выработка электроэнергии элементами гибридной системы электроснабжения Параметры п. Индига п. Кулунда п. Яшкуль Среднегодовая скорость ветра, м/с 6,49 4,85 4, Среднее значение солнечной инсоля ции на горизонтальную поверхность, 93,73 146,99 187, Вт/м Среднегодовая выработка электро энергии, кВтч:

ВЭС 2915 1592 ФБ 79 121 БГ 0 18 АБ 289 443 Всего 3283 2174 Число часов работы БГ, ч/год - 24 Число включений БГ, раз/год - 13 Анализ результатов моделирования и результаты экспери ментальных исследований показывают высокую эффективность ис пользования возобновляемых источников энергии с целью экономии жидкого топлива в гибридных системах автономного электроснаб жения сельскохозяйственных потребителей и возможность гибкого подхода к составу энергоисточников.

Так для северных регионов с высоким ветроэнергетическим потенциалом можно отказаться от ФБ и использовать только одну ВЭУ типа УВЭ-500, что в 1,5-2 раза снижают стоимость системы автономного электроснабжения индивидуального жилища.

Выводы:

1. Моделирование работы гибридных систем автономного электро снабжения позволяет уже на этапе предварительной оценки по лучить информацию о работе всех элементов с учетом принятых граничных условий.

2. На основе результатов моделирования выработки электроэнер гии можно решать задачи оптимизации состава энергоисточни ков гибридной электростанции.

3. Гибридные электростанции, как показали результаты моделиро вания, рекомендуется использовать там, где среднегодовая ско рость ветра более 4,0 м/с, тогда годовая экономия жидкого топ лива при круглогодовом использовании будет не менее 0,8 т на каждый киловатт установленной мощности.

Литература 1. Концепция развития и использования возможностей малой и не традиционной энергетики в энергетическом балансе России. М.:

Министерство топлива и энергии РФ, 1994, 121 с.

2. Рекомендации по проектированию систем энергообеспечения ав тономных объектов с использованием ветрогелиоэнергетических установок. ВНИПТИМЭСХ, Зеленоград, 1995.

3. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источ ников энергии в России. Под общей редакцией П.П. Безруких СПб.: Наука, 2002, 314 с.

4. Сокольский А.К., Харитонов В.П. Гибридные ветродизельные сис темы гарантированного электроснабжения. // Сб. научных трудов и инженерных разработок. 6-я специализированная выставка «Изде лия и технологии двойного назначения. Конверсия ОПК» М,: 2005, С264- АВТОНОМНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ДОМА С ПОМОЩЬЮ ВИЭ Канд. техн. наук В.В. Заддэ (ГНУ ВИЭСХ) Приходит время, когда владельцы домов начинают задумы ваться о взаимодействии с окружающей природой, рассматривая при проектировании новых и совершенствовании построенных домов во просы экологии и энергосбережения. За рубежом последним качест вам уже много лет уделяется большое внимание. Известны много численные примеры достижения великолепных результатов. Особен но впечатляет положительный опыт Финляндии с климатом похожим на Россию. Даже зимой в Финляндии для энергоснабжения домов используется солнечная энергия, что позволяет эконо-мить за год на тепле до 60% энергии.

У нас чаще всего строят индвидуальные дома из бруса, брёвен или в два кирпича. Все они обладают недостаточным уров-нем тепло защиты, вынуждая владельцев затрачивать на отопление значитель ные средства или отказываться от проживания за городом в зимнее время. Обогреть такой дом можно расходуя по 0,15 кВт на каждый м жилой площади.

С 2000 года в России вступили в силу новые повышенные требования к теплозащите ограждающих конструкций, по которым величина сопротивления теплопередачи R повышена с 2,0 до 3, м2.0С/Вт (для окон и дверей это значение ниже). Требования к тепло изоляции домов в разных областях зависят от напряженности отопи тельного периода за год Н = Т · N (градус-сутки), где: Т – средняя на ружная температура, N – длительность отопительного периода (для Москвы N = 213 суток). Так, например, в Сочи Н = 1044, в Москве 5030, а в среднем по Германии 3160 градус-сутки.

Теплопотери дома в течение года через ограждающие конст рукции определяют по формуле: Q = [ 24N · (Твнт – Тн) · S / R ] (кВт.час/ год), где: Твнт = 20 0С – внутренняя температура, Тн – наруж ная температура, S – площадь ограждения. Очевидно, что даже при равных теплозащитных свойствах ограждающих конструкций тепло потери дома за год в Москве будут в 1,6 раза выше, чем в Германии и почти в 5 раз выше, чем в Сочи, поэтому для Москвы требуется по вышение в 1,6 раза мер по теплозащите дома и соответствующее уве личение R.

В Германии нормативом установлено годовое потребление тепла не более 70 кВт.ч/м2 и государство стимулирует появление домов потребляющих меньше энергии и использующих энергию от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Достижение нормативных показателей идёт двумя путями.

Первый путь связан с повышением теплозащиты строительных кон струкций, а второй включает ещё и подбор комплекта ВИЭ, в сочета нии с использованием энергоэкономной бытовой электро-техники.

Ограничения накладываются также на ориентацию здания, предельно уменьшается площадь остекления, особенно северной стороны дома.

Если для Москвы средняя температура отопительного пери ода минус 4 0С, а минимальная температура достигает минус 30 0С, то при температуре внутри дома +20 0С перепад температур состав-ляет, соответственно, 24 0С и 50 0С, т.е. отличается в 2 раза. Отсюда уста новленная мощность отопительного оборудования для Москвы на случай холодной погоды должна в 2 раза превышать среднюю вели чину необходимой мощности отопления. Результаты расчёта величин удельной мощности системы отопления для домов в Мос-кве, соот ветствующих европейской квалификации, даны в таблице.

Мощность системы Норма тепло- по Классификация дома отопления требления, Вт/ м2 кВт.час/ м2 год Старый дом 119 Типовой дом конца 20 века 59,5 Энергосберегающий дом 27,7 Энергопассивный дом 5,5 Менее В расчетах теплозащиты ограждающих конструкций следует учитывать, что их суммарная площадь с учётом потолка и пола в среднем превышает жилую площадь 2-х этажного дома при высоте потолков 3 м в 2,2 раза. При этом термическое сопротивление тепло передачи R стен, потолка и пола для современного энергоэффектив ного дома в средней части России должно быть выше 5 м2.0С/Вт.

Из известных строительных материалов наилучшими свойст вами обладают экструзионный полистирол типа «пеноплэкс» и вспе ненный полиэтилен типа «пенофол», значительно превосхо-дящие, дерево, минеральную вату и пенопласт. В отличие от обыч-ного вспе ненного полистирола (пенопласта), изготовленного по бес-прессовой технологии и состоящего из множества гранул, между ко-торыми мо жет проходить воздух, структура пеноплэкса полностью однородна и имеет полностью закрытые микропоры размером 0,1-0,2 мм. Пенопл экс выпускается в виде рулона и плит толщиной от 25 до 100 мм пло щадью около 1 м2. Его прочность более чем в 10 раз превышает прочность пенопласта, выдерживая нагрузку на сжатие до 65 кг/м2.

Он сохраняет свои свойства после длительного воздействия циклов замораживание-оттаивание (до 1000 циклов). При аналогичных испы таниях обычный пенопласт теряет до 40 % теплозащитных свойств, а пенополиуретан после 200 циклов полностью разрушается. Введение в состав антипереновых добавок делает пеноплэкс трудно сгораемым материалом.

Каждый процент влаги в структуре теплоизолятора увеличи вает коэффициент теплопроводности на 6 %. Влага, проникшая внутрь материала, при минусовых температурах замерзает, что ещё более ухудшает теплозащиту, поскольку лёд имеет теплопровод ность в 4 раза выше воды. Высокая стойкость пеноплэкса к воздейст вию термоциклов определяет рекордно высокий срок (более 50 лет) сохранения всех эксплутационных свойств. Подобных пока-зателей не имеет пенопласт и ни один волокнистый утеплитель. Преградой против конвекции является создание закрытой микропо-ристой структуры утеплителя, а против излучения эффективен металличе ский зеркальный экран в виде алюминиевой фольги.

Лучистый теплоперенос существует при любых температу рах. Чем больше разность температур снаружи и внутри здания, тем больше тепловой поток и тем больше лучистая составляющая тепло потерь. Для обычных жилых зданий без отражающей изоляции лучи стые теплопотери могут составлять в зависимости от наружной тем пературы от 20 до 70 %. Введение отражающей изоляции с коэф фициентом отражения в инфракрасной области выше 95 % снижает лучистые теплопотери примерно в 20 раз.

Пенофол имеет структуру многослойного материала, состоя щего из вспененного полиэтилена толщиной от 2 до 10 мм с разме ром пор около 1 мм, покрытого полированной алюминиевой фоль-гой толщиной около 10 мкм. В строительной конструкции макси мальный эффект достигается при наличии воздушного зазора в 1,5- см по обе стороны от пенофола. В этом случае сопротивление тепло передачи R = 1,2 и 1,35 м2.0С/Вт для толщины пенофола 4 и 10 мм.

При наружной температуре минус 20 0С пенофол толщиной всего мм равноценен по теплозащите толщине следующих материалов:

кирпич 672 мм, газопенобетон 348 мм, дерево 135 мм, миниральная вата 77 мм, пенопласт 46 мм. Оптимально пенофол необходимо по мещать на внутренней стене под обшивкой, оставляя между пенофо лом и обшивкой вентилируемый воздушный канал, а под обшивкой снаружи стены дополнительно помещать теплоизоляцию из пенопл экса. Плита из пеноплэкса толщиной 100 мм имеет R = 3,3 м2.0С/Вт, что равноценно толщине дерева 500 мм или 200 мм пенопласта. По добная многослойная ограждающая конструкция, включая слой кир пича или бетона в качестве механически несущего элемента, будет иметь суммарное тепловое сопротивление выше 5 м2.0С/Вт.

Вентилируемая конструкция навесной облицовки сохраняет наружную поверхность стены постоянно сухой, снижая в холодное время года теплопотери до минимума. Летом навесной фасад выпол няет функцию солнцезащитного экрана, отражающего значительную часть падающего теплового потока, а воздушная прослойка служит вентиляционным каналом для выноса из дома излишков тепла.

Если стену дома, состоящую из двух кирпичей, утеплить пе нофолом в сочетании с пеноплэксом, то требуемая мощность системы отопления для обогрева 2-х этажного дома с мансардой площадью 200 м2 понизится с 30 до 12 кВт, однако возрастёт до 70% доля тепло потерь связанных с окнами и вентиляцией. Т.е., исполь-зование эф фективных теплоизолирующих материалов приводит к некоторому пределу, после которого без дополнительных меропри-ятий даль нейшее увеличение теплоизоляции не даёт ощутимых результатов в снижении энергозатрат.

В современных окнах в зазоре между стеклами по периметру склеенного стеклопакета помещается рамка из алюминия. Для увели чения теплового сопротивления воздушный промежуток стеклопакета заполняют инертным газом с большим молекулярным весом, а ещё лучше создать вакуум. Нанесение ИК-покрытия снижает величину коэффициента собственного излучения стекла.

Двухкамерный вакуумный стеклопакет с R= 1,2 м2.0С/Вт, ана логичный кирпичной стене толщиной в 2,5 кирпича, имеет самые вы сокие теплоизоляционные свойства, превышающие более чем в 10 раз обычное листовое стекло, что позволяет значительно улучшить рабо чие характеристики изделий использующих стекло. Вакуумный стек лопакет по сравнению со склеенным стеклопакетом имеет очень ма лую толщину практически равную толщине исполь-зуемого стекла.


Так при толщине листа стекла 2,5 мм двухкамерный вакуумный стек лопакет имеет толщину всего 7,6 мм, а газонапол-ненный склеенный 32 мм. Зазор в вакуумном стеклопакете между листами стекла задает ся с помощью миниатюрных керамических прокладок высотой мкм, расположенных по поверхности стекла с шагом около 20 мм.

Известные конструкции склеенных стеклопакетов гермети зируют по периметру с помощью полимерного клеевого соединения.

Старение полимера в условиях воздействия солнечного излучения и перепадов температуры ограничивает срок службы такого стеклопа кета. Обычно он составляет 5 - 10 лет, поскольку через какое-то вре мя происходит разгерметизация соединения, в зазор между стеклами проникает влага, которая на морозе замерзает, разрушая стеклопакет.

В России разработаны и запатентованы конструкция и способ изготовления паянных вакуумных и газонаполненных стеклопакетов соединенных по периметру с помощью стеклоприпоя, а также запа тентовано использование этих стеклопакетов в конструкциях солнеч ных тепловых коллекторов и солнечных модулях. Ширина паяного шва составляет около 5 мм. Пайка происходит при температуре около 4500С. Вакуумные стеклопакеты имеют сопротивление теплопереда чи в 1,5 раза больше, чем аналогичные склеенные стеклопакеты, их срок службы в 4,5 – 5 раз больше и составляет 50 лет. Отсутствие газа внутри стеклопакета снижает уровень проникновения шума и исклю чает не санкцио-нированное прослушивание разговора внутри поме щения с помощью подслушивающих устройств.

Имеющееся оборудование позволяет изготовлять паяные стеклопакеты размером до 2 м из листового стекла толщиной от 2, до 10 мм. Себестоимость паяных стеклопакетов не намного отличает ся от стоимости клееных стеклопакетов.

Применение паяных стеклопакетов позволяет значительно снизить теплопотери через стеклянные поверхности, что может слу жить основой к созданию энергоэффективных зданий, улучшить стабильность и технические характеристики таких изделий солнечной энергетики, как солнечные кухни, тепловые коллектора для нагрева воды или воздуха, солнечные модули, оптические концентраторы и комбинации этих устройств.

Для односемейного дома площадью 200 м2 из 4-х человек ( человек выделяет около 100 Вт), оснащенного телевизором мощно стью 150 Вт, лампами освещения общей мощностью 500 Вт, холо дильником мощностью 300 Вт эти суммарные тепловыделения со ставляют в среднем около 1000 Вт или около 5-10 Вт/м2. Таким обра зом для энергоэффективного варианта дома необходимая суммарная мощность системы отопления снижается с 5 до 4 кВт, а в среднем за отопительный сезон до 2 кВт при затратах тепловой энергии около 1500 кВт.ч/месяц или около 7 кВт.ч/м2. месяц, что вполне можно ком пенсировать за счёт ВИЭ и создать дом с близким к нулю теплопо треблением.

Южные части стены и крыши дома можно превратить в при ёмники солнечной энергии по площади равные или превосходя-щие полезную площадь дома. На каждый м2 площади поверхности на ши роте Воронеж-Саратов за месяц поступает до 150 кВт.ч солнечного излучения летом и не менее 20 кВт.ч зимой. Если суметь на 100% ис пользовать солнечную радиацию, то даже в зимнее время за счёт Солнца можно обеспечить теплом энергоэффективный дом.

Из всех видов ВИЭ солнечный тепловой коллектор является наиболее подходящим по стоимости и эффективности устройством для отопления и горячего водоснабжения домов. КПД составляет около 60%, а стоимость около100 долл./м2.

Срок службы и надежность систем воздушного обогрева су щественно выше водяного, поскольку нет опасности протечки, за мерзания воды и засорения трубопроводов. Подача нагретого воздуха позволяет очень быстро создать необходимую температуру в поме щении. Воздушный солнечный коллектор проще и дешевле на 30% водяного. Воздух в коллекторе достаточно нагреть до 20 0С, что в несколько раз ниже температуры воды для системы отопления, по этому эффективность воздушного коллектора особенно в холодное время года и при низком уровне солнечной радиации заметно больше водяного.

Южные части стен и крыши, имеющие под наружной обшив кой воздушные вертикальные каналы способны работать в качестве гелиоколлектора.. Ориентировочно для отопления 1 м2 площади дома требуется примерно равная площадь гелиоколлектора. В одно- семей ном доме для снижения расхода тепла на горячее водоснабжение на 50% достаточно установить гелиоколлектор площадью 10 м2 и нако питель горячей воды объёмом 1 м3. Накопительный бак должен иметь теплоизолированные стенки, что позволяет на длительное время (за ночь охлаждение не более 5 0С) сохранять воду горячей.

ВОЛНОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ИХ ПРОИЗВОДСТВА Докт. техн. наук С.Д.Стрекалов, канд. экон. наук П.И.Помещиков, А.Н.Тарасов (ВГСХА, г.Волгоград) Эффективность сельскохозяйственного производства во многом зависит от цен на топливно-энергетические ресурсы. Осо бенно это относится к ценам на нефть и природный газ, при повы шении которых значительно увеличиваются расходы сельскохозяй ственных товаропроизводителей на топливо, смазочные материалы, минеральные удобрения и другие энергоемкие материально энергетические ресурсы.

Увеличение цен на энергоноситель ведет к росту себестои мости и снижению конкурентоспособности продукции.

Товаропроизводители не могут эффективно противостоять повышению цен на энергоносители и нуждаются в поддержке госу дарства. Поддержка может осуществляться административными ор ганами (на уровне государства, области, района и объединения сель скохозяйственных товаропроизводителей).

Поддержка административными органами может осуществ ляться как в приобретении частичной компенсации энергетических ресурсов (бензин, дизтопливо, электроэнергия), так и путем стиму лирования использования альтернативных источников энергии (ве тер, солнце, биомасса).

Поддержка использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии мотивируется экологическим фактором и энер гетической независимостью.

Административные органы могут осуществлять поддержку прямыми субсидиями, льготным налогообложением и кредитовани ем, установлением дифференциальных тарифов.

Отношение государственных структур к поддержке нетради ционных возобновляемых ресурсов ВИЭ неоднозначное. Но в связи с ростом цен на нефтепродукты поддержка нетрадиционных возоб новляемых источников энергии должна возрастать.

В промышленно развитых странах уже накоплен значитель ный опыт государственной поддержки нетрадиционных возобнов ляемых источников энергии, включающий научные исследования, консультационные услуги и конкретную финансовую поддержку производителей и пользователей нетрадиционных энергетических систем.

Для субъектов агропромышленного комплекса наибольший интерес представляет мероприятия по поддержке владельцев нетра диционных энергетических установок, функционирующих в сель скохозяйственной местности.

В США поддержка осуществляется в соответствии с законом «О регулировании деятельности общественных коммунальных служб», «О национальной энергетической политике». Исполнение законов контролируется Федеральной комиссией по вопросам энер гетики. Комиссия обеспечивает условия, при которых независимые производители могут подключать выработанную или электроэнер гию к общей сети пользователей по полной стоимости и получить дополнительный доход от продажи излишков электроэнергии.

В Дании, Нидерландах поддержка обеспечивается прави тельственными субсидиями. В Германии поддержка ветроэнергети ки осуществляется на федеральном и местном уровнях. В Велико британии стимулируется надбавка к ценам реализации электроэнер гии. В западной Европе поддерживают и другие виды нетрадицион ных возобновляемых источников энергии. В Германии субсидируют использование солнечных нагревательных установок (20-60% про ектной стоимости установки). В Италии в законодательном порядке установлен размер субсидии (до 55%0 на установки, использующие различные виды нетрадиционных возобновляемых источников энер гии для сельскохозяйственных нужд. В Дании, где доля биомассы (соломы) в энергобалансе сельскохозяйственного производства со ставляет 20%, использование последней не облагается налогом на топливо в отличие от традиционных энергоносителей. Важно отме тить то, что поддержка является адресной, т.е. конкретизирована по формам осуществления и целевым объектам.

Опыт промышленно развитых стран в организации поддерж ки сельскохозяйственных товаропроизводителей при использовании различных видов топливно-энергетических ресурсов весьма актуа лен для современной России. Отечественные производители сель скохозяйственной продукции практически не защищены от негатив ного воздействия резкого роста цен на энергоносители, причем си туация усугубляется ставшим уже хроническим диспаритетом цен по отношению к основным средствам производства промышленного происхождения.

Все используемые формы поддержки можно применять и в России, но соотношение этих форм или выбор какой-либо одной из них должен определяться с учетом общей экономической ситуации, а также местной физико- и экономико-географической дифферен циации.

В Урюпинском районе Волгоградской области в течение по следних лет ведутся интенсивные исследования по экономической поддержке использования нетрадиционных источников энергии.

Одним из таких проектов является разработка волновых преобразо вателей энергии потока.

Основой волновой установки преобразования энергии потока является приемная поверхность, жестко закрепленная на активаторе, базовый шарнир которой совершает колебания по прямолинейной траектории, консольный – описывает траектории фигур Лиссажу:

Уб= Аsint, Уп= Asin(t+) (1) Фазовое смещение может осуществляться за счет введения синхронизаторов.

Если ветроприемная поверхность закреплена перпендику лярно активатору, то левый и правый концы ее описывают траекто рию:

l Хл= cos – hsin, Ул= Asint + l sin + hcos. (2) Угол наклона ветроприемной поверхности, поставленной перпендикулярно активатору, изменяется в процессе колебаний и его значения могут быть найдены из формулы:

А = arcsin [sin(t + ) – sint] + /2. (3) l Для определения мощности ветроэнергетической установки необходимо, прежде всего, вычислить площадь ометаемой поверх ности. Если ветроприемная поверхность закреплена вдоль активато ра, то ометаемая площадь определится из выражения:

F = F1 + F2, (4) где F1 - ометаемая площадь, величина которой определяется ампли тудой колебаний активатора;

F2 - ометаемая площадь, величина которой определяется шири ной ветроприемной поверхности.

F1 = 2 AH, F2 = HB sin, где Н - высота ветроприемной поверхности.

В – ширина ветроприемной поверхности.

Отсюда:

F = 2АН + НВ sin = Н (2А+Вsin) (5) Если угол наклона активатора принимает небольшие значе ния, то Sin стремится к нулю и ометаемая площадь будет равна:

F = 2A H.

При перпендикулярном расположении F= 2AH + HB cos.

Если 0, cos1, тогда F = H(2A+B).

Из этого следует, что при небольших углах наклона пред почтение должно отдаваться схемам, у которых ветроприемная по верхность расположена перпендикулярно активатору.

Мощность ветродвигателя волнового типа может быть най дена по зависимости:

3 Н (2 А + В) В = 3 НА1 +.

N= (6) 2 2А Мощность ветродвигателя можно увеличить, увеличивая ширину поверхности до В=2А, если В2А, то наблюдается ее уменьшение.

Принцип работы волновой энергетической установки, осно ванный на функционировании одного элемента многозвенной волны может быть объяснен на основе схемы, представленной на рис.1.

Рис. 1. Принципиальная схема однолопастной волновой ветроустановки:

1 - ветроприемная поверхность;

2 – стойка;

3 – маховик;

4 – кривошип;

5 – тяги Установка включает ветроприемную поверхность 1, стойку 2, маховик 3, кривошип 4, тяги 5. Воздушный поток, воздействуя на ветроприемную поверхность 1, смещает ее в крайнее положение.

Так как колебания крайних точек активатора смещены друг относи тельно друга на величину, при достижении крайнего верхнего по ложения угол наклона ветроприемной поверхности изменяется, бла годаря чему поток ветра будет перемещать ее в крайнее нижнее по ложение. В результате этого возникает волновое движение ветро приемной поверхности, которое передается на приемный механизм с последующим преобразованием в механическую, электрическую или другие виды энергии. Расчет конкретной ветроэнергетической установки ведется исходя из требуемой мощности с учетом коэффи циента полезного действия, определяется площадь ометаемой по верхности.

Требуемая поверхность создается из рационального соотно шения амплитуды колебаний и высоты. При создании ветродвига телей повышенной мощности могут быть использовано последова тельное соединение.

Волновые ветроэнергетические установки позволяют созда вать агрегаты повышенной мощности путем увеличения суммарной ометаемой поверхности за счет соединения нескольких ВПП.

Для эффективного внедрения преобразователей волнового типа разрабатывается механизм экономической поддержки сельско хозяйственного товаропроизводителя, включающий компенсацию расходов на их разработку, изготовление и приобретение установок, использующих ВИЭ, что позволит обеспечить более широкое их ис пользование, и следовательно, снизить себестоимость отечествен ных продуктов питания.

Литература 1. Стрекалов С.Д. и др. Волновая техника. //Волгоград, - «Перемена», 2004. –С.98.

2. Стрекалов С.Д., Мишарев Г.М., Тарасов А.Н. К теории волновых преобразователей энергии потока. //Механизация и электрифика ция сельского хозяйства. 2005. №12. С.30-33.

РЕСУРСЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ЛИТВЫ Д-р техн. наук Г.Руткаускас (Институт сельскохозяйственной инженерии Лит.СХУ) В настоящее время в общем энергетическом балансе Литвы возобновляемая энергия составляет 9,5 %, а электроэнергия – 3 %.

Стратегией Европейского Союза предусмотрено, что доля возобнов ляемой энергии должна быть не менее 12 % от общего количества потребления первичной энергии, в том числе доля так называемой „зеленой“ электроэнергии должна составлять не менее 22,1 % [1].

По данным проведенного анализа, главным источником во зобновляемой энергии на селе является древесина – это дрова, а также отходы лесозаготовки и переработки древесины. В 2004 г., в целом по Литве, тепловой потенциал древесного сырья составил 26,2 ПДж. В настоящее время в сельской местности ежегодно сжи гается 1,2 млн.м3 древесного топлива. При его средней удельной те плоте сгорания 7,1 ГДж/м3, общее количество получаемой полезной тепловой энергии составляет 8,8 ПДж. Ежегодный потенциал дре весного топлива в ближайшее десятилетие достигнет 4-4,5 млн.м3, таким образом количество неиспользуемого сырья в энергетическом выражении в целом по стране составляет 2,2-5,7 ПДж, а в сельской местности – соответственно 1,5 ПДж. Значительная часть этого по тенциала приходится на отходы лесозаготовок. В Литве в настоящее время древесное топливо успешно конкурирует с его традиционны ми видами. Всего в стране на древесное топливо переведено около 400 котельных, суммарная мощность которых составила 300 МВт.

Другим важнейшим биоресурсом является солома. В Литве для энергетических целей можно ежегодно использовать до 0, млн.т или 12-15 % заготавливаемой соломы. При средней удельной теплоте сгорания соломы 14 ГДж/т, для полного использования имеющегося ресурса в Литве необходимо оборудовать котельные общей мощностью 300 МВт. В настоящее время общая мощность котельных сжигающих солому составляет всего 5 МВт. Это в ос новном бытовые котлы. В них сжигается в общей сложности около % заготавливаемой соломы.

Потенциал биомассы может быть значительно увеличен за счет использования для получения возобновляемой энергии быстро растущих древесных пород, а также энергетических растений – трав и злаковых культур. Общая площадь сельхозугодий в Литве состав ляет 3369,5 тыс. га на 240 тыс. га из них можно выращивать энерге тические растения. При этом следует упомянуть, что в 2003 г. в Литве в сельскохозяйственном производстве не использовалось 677,8 тыс. га пригодных для этого земель, или 423,2 тыс. га сельхо зугодий.

По данным нашего института уже в ближайшее время под посадки быстрорастущих деревьев и кустарников может быть занято примерно 50 тыс. га бывших торфяников и карьеров для добычи гравия. При средней урожайности 10 т/га сухой биомассы в год, за счет плантаций энергетического сырья, можно получить 0,5 млн.т топлива или 7,0 ПДж полезной энергии. Следует отметить, что в Литве в 2002 г. принята программа развития лесоводства, которой предусмотрено за 20 лет засадить лесом 100-120 тыс. га неисполь зуемых или непригодных для сельскохозяйственного производства земель. 40-50 % от этих площадей может быть занято древесными породами с коротким циклом воспроизводства с последующим ис пользованием их в энергетических целях. В 2005 г. плантации быст рорастущих древесных растений (в основном ивы) составили более 200 га и уже в следующем году прогнозируется их расширение до 1000 га. В связи с этим возникла задача подбора наиболее эффек тивных видов растений, которые при минимальных затратах энергии на их выращивание обеспечивают максимальный выход первичной энергии при их сжигании.

Эксперименты проводились в течение 8 лет на песчаных почвах. Опытный участок был разделен на 10 загонов по 0,25 га.

Кроме того, каждый из загонов был дополнительно разделен на участка. Участок А удобряли минеральными удобрениями содер жащими 150 кг/га азота. Участки В и С получали по 75 кг/га азота, кроме того на участке С дополнительно вносился пепел полученный после сжигания убранного урожая выращиваемых на нем растений (около 660 кг/га). Участок D не удобряли.

Результаты испытаний приведены в табл. 1. Всего испыты валось 7 видов энергетических растений: ива, тополь, топинамбур, конопля, ежа сборная, озимая рожь, озимый тритикале.

Таблица 1. Средние данные по выходу сухого вещества при возделывании энергетических растений Выход сухого вещества, т/га Вид растений А B C D 150 кг N/га 75 кг N/га 75 кг 0 кг N/га N/га Ежа сборная 8,4 7,7 7,7 5, Ива 7,2 6,9 6,9 5, Тополь 6,9 6,9 7,6 6, Топинамбур 4,2 4,1 3,9 3, Конопля 11,2 10,5 10,0 8, Озимая рожь 8,9 8,5 8,1 7, Озимый тритикале 8,9 8,7 8,7 6, При интенсивном удобрении наибольший выход сухой мас сы получен при выращивании конопли - 11,2 т/га, ежи сборной, ози мой ржи и тритикале (от 8,4 до 8,9 т/га). Самая низкая урожайность среди данного класса культур у топинамбура – 4,2 т/га. Если делян ки не удобрялись, то урожай сухой массы всех культур год от года снижался и за 8 лет проведения испытаний снизился на 20 – 60 %.

Древесные культуры менее отзывчивы на внесение удобрений, а при избыточном их внесении – 150 кг/га азота, урожай сухой массы даже снижался за счет более интенсивного роста листвы.

Посев травы в посадках тополя и ивы уменьшает выход су хой массы. Трава является конкурентом деревьев, более отзывчивым на удобрения и влагу, поэтому урожай сухой массы древесины уменьшается на 10-65 % в течение первых 4 лет выращивания.

Выход энергии при сжигании различных видов растений и затраты энергии на их выращивание приведены в табл. 2. Как видим этот показатель во всех вариантах самый низкий у топинамбура 71 55 ГДж/га. У зерновых культур выход энергии составляет от 97 до 178 ГДж/га. У конопли и ежи он колеблется от 161 до 172 ГДж/га.

Этот показатель достаточно высок и у быстрорастущих деревьев.

Как видно из приведенных данных, выход энергии не так заметно зависим от внесения удобрений как выход сухой массы. Разница в среднем не превышает 24 %.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.