Эксперт по сдаче вступительных испытаний в ВУЗах
Какую долю занимает нетрадиционная энергетика в мире?
В 2006 году около 18 % мирового потребления энергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии, причём 13 % из традиционной биомассы, таких, как сжигание древесины. В 2010 году 16,7 % мирового потребления энергии поступало из возобновляемых источников. В 2015 году этот показатель составил 19,3 %. Доля традиционной биомассы постепенно сокращается, в то время как доля современной возобновляемой энергии растёт.
С 2004 по 2013 годы доля электроэнергии, производимой в Евросоюзе из возобновляемых источников, выросла с 14 % до 25 %. В 2018 году в Германии из возобновляемых источников было произведено 38 % электроэнергии.
По прогнозу ИЭИ РАН и Центра энергетики Московской школы управления «Сколково», к 2040 г. ВИЭ обеспечат 35-50% мирового производства электроэнергии и 19-25% всего энергопотребления.
Приведем более подробную статистику по странам, начиная с доли в мире (рис.1). Процент ВИЭ в производстве электроэнергии приведем в динамике по странам (рис.2).
Доля возобновляемых источников в производстве электричества (2019)
Рис. 2 — Тенденция за период 1990 — 2019
Приведем статистику ВИЭ в % производства электроэнергии по странам (рис.3)
Рис.3 – Доля ВИЭ в производстве электроэнергии по странам
Как видно из данных, Норвегия почти вышла 100% уровень выработки электроэнергии из ВИЭ.
Также приведем данные о доле солнечной и ветровой энергетики в производстве электроэнергии по странам (рис.4).
Рис. 4 – Доля солнечной и ветровой энергии в производстве электроэнергии по странам
Действующие волновые электростанции
Волновая электростанция (ВЭС) — электростанция, расположенная в водной среде, целью которой является получение электроэнергии из кинетической энергии волн.
Энергетический потенциал волн оценивается в более, чем 2 тераватта
Одна из самых первых волновых электростанций расположена в районе Агусадора, Португалия, на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока.
Электростанция состоит из 3-х устройств под названием Pelamis P-750 (англ.)русск.. Это большие плавающие объекты змеевидного типа, размер каждого:
•длина 120 метров,
•диаметр 3,5 метра,
•вес 750 тонн.
Мощность одного такого конвертера составляет 750 КВт. Удельные характеристики: мощность 1 кВт/тонну и 650 Вт на м³ конструкции. В электричество превращается примерно 1% энергии волнения.
Pelamis P-750 состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться, за что конструкции стали называть «морскими змеями» («sea-snake»)[10]. Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.
Российские разработки
На территории Москвы может быть начато строительства производственного научно-исследовательского предприятия, которое будет разрабатывать модуль поплавковой волновой электростанции. Инвестор планирует строительство опытно-промышленного предприятия, включающего в себя производственную научно-исследовательскую лабораторию.
Учёные УрФУ разработали мобильную волновую электростанцию. В 2014 г. её испытания начались в бухте Витязь на Морской экспериментальной станции «Мыс Шульца» Тихоокеанского океанологического института им В.И. Ильчева ДВО РАН, расположенной на полуострове Гамова (Приморье).
Также на рынке волновых электростанций присутствует разработка российской компании «Сальмабаш», которая предлагает 3 варианта:
Стационарные – мощностью от 3 кВт до 1МВт.
Мобильные – мощностью от 1 кВт до 500 кВт
Портативные – мощностью от 0,3 кВт до 1 кВт
Рис. 1 — Стационарная волновая электростанция ООО «Сальмабаш»
Рис. 2 — Стационарная волновая электростанция ООО «Сальмабаш»
В мире
В 2009 году на Оркнейских островах была введена в эксплуатацию волновая электростанция.
В Великобритании строится волновая электростанция Wave Hub мощностью в 20 МВт.
В Австралии с 2009 года действует волновая электростанция Oceanlinx (рис.3)
Рис. 3 — волновая электростанция Oceanlinx
Принцип ее работы заключается в том, что проходящие через нее волны толчками заполняют водой специальную камеру, вытесняя содержащийся в этой камере воздух. Сжатый воздух под давлением проходит через турбину, вращая ее лопасти. Из-за того, что направление движения волн и их сила постоянно меняются, на станции «Oceanlinx» используется турбина Denniss-Auld c регулируемым углом поворота лопастей. Одна силовая установка станции «Oceanlinx» обладает мощностью (в пиковом режиме) от 100 кВт до 1,5 МВт. Установка в Порт-Кембла поставляет в электросеть города 450 кВт электричества.
В Шотландии запущена волновая электростанция PowerBuoy мощностью 3 МВт
В США на данные момент разрабатываются несколько волновых электростанций мощностью до 100 МВт.
Принцип работы солнечной фотовольтаической станции
Несмотря на физическое отличие фотовольтаического и фотоэлектрического эффекта, когда говорят о солнечной станции могут иметь в виду оба этих эффекта. В обоих случаях поглощенный свет, вызывает возбуждение электронов (или других носителей заряда) и переводит их в состояние с более высокой энергией.
Фотовольтаическая (фотоэлектрическая) станция — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник – полупроводник или металл – полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А/м2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м2.
Устройства на полупроводниковых переходах обычно называются фотоэлементами, или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Фотоэлектрические устройства преобразуют лучистую энергию в электрическую. Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облученности.
Эффективность использования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.
В современной солнечной энергетике широко применяются полупроводниковые преобразователи из химически чистого кристаллического кремния
Кремний – широко распространенный в земной коре элемент, песок и кварц – это диоксид кремния.
Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн . Рассмотрим вначале два крайних случая: нR 0 (режим короткого замыкания) и Rн (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 1 (а, б).
Рис. 1. Зонные энергетические диаграммы p–n-перехода при освещении в разных режимах: а – короткого замыкания; б – холостого хода; в – включения на сопротивление нагрузки
В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p-областями. Однако через p–n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта, в p-области, происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.
При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис. 1, б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Ux.x . Полярность Ux.x соответствует прямому смещению p–n-перехода.
Поток генерированных светом носителей образует фототок I_ф. Величина I_фравна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени:
I_ф=q P_н/hν
где q – величина заряда электрона; Pи – мощность поглощенного монохроматического излучения
Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hν≥E_g создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si.
В режиме холостого хода (рис. 6.1, б) фототок уравновешивается «темновым» током Iт – прямым током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения Ux.x . Абсолютное значение «темнового» тока
I_т=I_0 exp[((qU_xx)/AkT-1)]=I_ф
Откуда при I_ф≫I_0
U_xx=AkT/q ln〖I_ф/I_0 〗
где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К = 0,86·10-4 эВ/К; Т – абсолютная температура, К; I0 – ток насыщения; A – параметр вольтамперной характеристики p–n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону:
A=0,434 q/kT ΔU
где U – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок
Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле
P=I_ф U_н-I_0 U_н exp((qU_н)/AkT)
где Uн – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе.
Таким образом, солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею.
Солнечные электростанции по сути состоят из большого количества фотоэлектрических модулей, объединённых в одну цепь.
В общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Фотоэлектрические модули и массивы производят электричество постоянного тока. Они могут быть подключены как в последовательном, так и в параллельном электрическом устройстве для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока. Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением городов.
Рис. 2 — Кош-Агачская СЭС
Проблемы эксплуатации солнечных элементов
Проблема КПД солнечных элементов стоит довольно остро. Низкий коэффициент преобразования усугубляется факторами, влияющими на производительность солнечных элементов, такими как неравномерное освещение панелей, нагрев, загрязнение и затемнение отдельных участков или всего модуля, нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ) и необратимые потери. Поэтому повышение КПД на несколько десятых процента – это уже достижение.
Проблема нелинейности ВАХ решается введением в цепь преобразования модуля отбора максимальной мощности. Для равномерного освещения панелей в течение дня применяют специальные поворотные системы. Загрязнение поверхности солнечных элементов отрицательно сказывается на эффективности их работы, поэтому необходимо регулярно проводить мероприятия по очистке поверхности солнечных панелей. При затенении менее освещенный модуль становится паразитной нагрузкой. Для предотвращения выхода элемента из строя и исключения его влияния на систему в целом наиболее целесообразно исключить его из последовательной цепи при помощи шунтирования байпасным диодом. Эффективность также снижается при нагревании панели, поэтому солнечные модули, особенно для больших солнечных электростанций, целесообразно охлаждать.
Следующая проблема эксплуатации – микротрещины, которые практически не заметны. Они могут образовываться во время производства, доставки до места эксплуатации или во время инсталяции. Главная проблема микротрещин – это то, что они со временем могут «расти» из-за воздействия тепловых деформаций и соот-но все больше слиять на эффективность солнечных панелей.
Еще одна проблема при эксплуатации – пылевое загрязнение солнечных панелей, которое также снижает выходную мощность. При эксплуатации СЭС требуется очистка поверхностей, а при постоянной очистке возможны образования микротрещин.
Последняя проблема вызвана медленной деградацией панелей, с теченим времени КПД солнечных панелей падает по естественных причинам, а также из-за внутренней коррозии, которая может случиться при не качественной ламинации панелей. В зависимости от условий эксплуатации погода и количество дождей, частая смена температуры окружающего воздуха может сыграть существенную роль в скорости выхода панелей из строя
Расчет геотермальной электрической станции.
Геотермальная электрическая станция с электрической мощностью Nэ=10 МВт получает теплоту от воды из геотермальной скважины с температурой t_ГС=70 °C. Геотермальная вода охлаждается в парогенерирующей установке на 20 °С. КПД парогенератора η_ПГ 0,98. Сухой насыщенный пар хладона R11 на выходе из парогенератора имеет температуру на 10 °С ниже, чем температура геотермальной воды на входе в парогенератор. Пары хладона расширяются в турбине и поступают в конденсатор, где охлаждаются водой из реки с температурой t_ХВ=10 °C. Нагрев воды в конденсаторе равен 10 °С, а недогрев до температуры насыщения 5 °С, относительный внутренний КПД турбины η_oi=0.8, электромеханический КПД генератора η_ЭМ=0,95.
Определить:
1. Термический КПД цикла η_t
2. КПД геотермальной электрической станции ГеоТЭС.
3. Расход хладона, геотермальной воды и воды через конденсатор GХЛ, GВОДЫ, GК.
4. Удельный расход тепла на турбоустановку qТУ.
Решение
Рис. 1. Принципиальная схема геотермальной электростанции: 1 – скважина; 2 – парогенератор; 3 – турбина; 4 – питательный насос; 5 – конденсатор; 6 – насос; 7 – генератор
1. Термический КПД цикла.
1) Построим процесс расширения и определим энтальпии:
На рисунке представлена Термодинамическая диаграмма i – lgP хладагента R11 (рис.2)
Точку 0 определим при температуре t_0=t_гс-10=70-10=60 °C
Точку kt определим из условия адиабатного расширения паров хладона в турбине на пересечении изотермы t_К=t_хв+5+10=10+5+10=25°C и адиабаты S_1=S_2
Точку k` ’ находим на линии насыщения (х = 0) при температуре t_К
Энтальпии: h_0=420 кДж/кг;h_kt=405 кДж/кг;h_(k`)=220 кДж/кг;
Давления: P_0=3 бар;P_k=1,1 бар.
2) Термический КПД цикла:
η_t=(h_0-h_kt)/(h_0-h_(k`) )=(420-405)/(420-220)=0,075
2. КПД геотермальной электрической станции.
КПД ГеоТЭС в данном случае допустимо определять по следующей формуле:
η_ГеоТЭС=η_t η_oi η_эм η_пг=0,075⋅0,8⋅0,095⋅0,98=0,055
3. Расходы хладона, геотермальной воды и воды через конденсатор.
1) Расход хладона определим по формуле:
G_хл=N_э/(H_0 η_oi η_эм )=N_э/((h_0-h_kt ) η_oi η_эм )=10000/((420-405)⋅0,8⋅0,95)=877,193 кг/с
2) Расход геотермальной воды может быть вычислен:
G_воды=(G_хл (h_0-h_(k`) ))/(C_p η_пг Δt_гс )=(877,193⋅(420-220))/(4,19⋅0,98⋅20)=2136,264 кг/с
3) Расход воды из реки:
G_к=(G_хл (h_к-h_(k`) ))/(C_p Δt_ХВ )=(G_хл ((h_0-H_0 η_oi)-h_(k`) ))/(C_p Δt_хв )=(G_хл ((h_0-(h_0-h_kt ) η_oi)-h_(k`) ))/(C_p Δt_хв )=(877,193⋅((420-(420-405)⋅0,8)-220))/(4,19⋅10)=3935,854 кг/с
4. Удельный расход тепла на турбоустановку.
q_ту=3600Q/N_э =(3600G_хл (h_0-h_(k`) ))/N_э =(3600⋅877,193⋅(420-220))/10000=63157,895 ,кДж/(кВт⋅ч)
Вывод
В ходе данной работы были рассчитаны следующие параметры:
1. Термический КПД цикла η_t=0,075
2. КПД геотермальной электрической станции _ГеоТЭС=0,055.
3. Расход хладона, геотермальной воды и воды через конденсатор G_ХЛ=877,193 кг/с,G_ВОДЫ=2136,264 кг/с,G_К=3935,854 кг/с.
4. Удельный расход тепла на турбоустановку q_ТУ=63157,895 ,кДж/(кВт⋅ч).
Расчет биогазогенератора
Определить объем биогазогенератора V_био и суточный выход биогаза V_(г вых) в установке, утилизирующей навоз от животных: 65 коров, 60 свиней, 65 птиц, а также обеспечиваемую ею тепловую мощность N (кВт). Время цикла сбраживания τ=35, сут. Подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идет со скоростью W, кг/сут; выход биогаза из сухой массы ν_г,м^3/кг. Содержание метана в биогазе составляет, %. КПД горелочного устройства η = 0,68. Плотность сухого материала, распределенного в массе биогазогенератора, р_сух,кг/м^3. Теплота сгорания метана при нормальных физических условиях принять равной Q_н^р=28 МДж/м^3.
Таблица 1 — Количество и плотность биоферментируемого материала на одно животное
Решение:
Подача сухого сбраживаемого материала от животных идет со скоростью m_0 (кг/сут):
m_0=Wn,кг/сут
Cуточный объем жидкой массы Vсут, поступающей в биогазогенерагор (м3 /сут) можно определить по формуле:
V_сут=m_0/ρ_сух ,м^3/сут
Объем биогазогенератора, необходимого для фермы (м3):
V_био=τV_сут,м^3
где τ, сут – время цикла сбраживания.
Суточный выход биогаза:
V_(г вых)=m_0 V_г ,м^3/сут
Тепловая мощность устройства, использующего биогаз (МДж/сут):
N=ηQ_н^p V_(г вых) f_м ,Мдж/сут
Результаты представим в виде табл. 2.
Вывод
В ходе данной работы был определен объем биогазогенератора V_био=2074,56 ед. и суточный выход биогаза V_(г вых)=1059,12 ед. в установке, утилизирующей навоз от животных: 65 коров, 60 свиней, 65 птиц, а также обеспечиваемую ею тепловую мощность N=14278,677 (кВт)
Расчёт ветроустановки
Ветровая электростанция состоит из n однотипных ветроэнергетических установок (ВЭУ). Длина лопасти ветроколеса L, м . Скорость ветра V м/с. КПД ветродвигателя _В. Электрический КПД _Э. Температура окружающего воздуха и атмосферное давление соответственно t,°C и P, кПа.
Определить мощность ветровой электростанции, содержащей n=19 шт однотипных ветроэнергетических установок. Длина лопасти ветроколеса L=70 м. скорость ветра V=13 м/с, КПД ветродвигателя _В=33%, электрический КПД установки (генератора и преобразователя) _Э=76% , температура воздуха t=8 °C, атмосферное давление Р=98 кПа. Как изменится мощность ВЭУ при снижении температуры воздуха на 10 °С?
