Альтернативные источники энергии

Введение

Трудно себе сейчас представить жизнь цивилизованного человека без электроэнергии. Электричество стало неотъемлемой частью нашего общества. Существуют различные способы получения электрической энергии. В эпоху индустриализации подавляющий объем электроэнергии вырабатывается промышленным способом на гидро-, тепло- и атомных электростанциях.

Выбор именно такой темы индивидуального раздела связан с личным интересом к данной сфере и её насущностью.

В последнее время особую актуальность получают так называемые альтернативные источники энергии. Это связано с постоянной опасностью для экологии со стороны атомной энергетики, которая на сегодняшний момент является основным источником электроэнергии в мире. Также электроэнергию добывают с помощью нефти, запасы которой постоянно уменьшаются.

В наиболее развитых странах Европейского союза планируют к 2020 году довести часть производства электроэнергии из альтернативных источников энергии до 20%. В этих странах серьезно обсуждается вопрос отказа от ископаемых видов топлива к 2050 году и построения энергетического комплекса, исключительно на основе альтернативных, возобновляемых источников энергии. Уже сейчас на территории Европы существуют полностью автономные как дома так и целые города (яркий пример солнечный город Мальмо в Швеции), где исключительно используются энергия из альтернативных источников.

Для достижения этих целей важно не только постоянно наращивать мощность и количество генерирующих установок – солнечных и ветроэлектростанций, необходимо также интегрировать автономные энергетические установки в единую энергетическую сеть, построенную по принципу распределенной генерации. Такая интеграция обеспечит непрерывность и бесперебойность энергоснабжения. Не зависимо от степени освещенности местности, где установлена солнечная электростанция или наличия ветра над местностью, где стоит ветроэнергетический парк, потребители всегда смогут получить необходимое количество энергии промышленного качества. Интеграция автономных энергетических установок в сеть с распределенной генерацией, позволит оперативно, в реальном масштабе времени компенсировать прекращение выработки электрической энергии какими-либо энергетическими установками в связи с недостаточной освещенностью или отсутствием ветра. Такая сеть из отдельных энергетических комплексов носит название Smart Grid [1]. Кроме того необходимым и крайне актуальным вопросом является правильное и эффективное использование электроэнергии.

Основными возобновляемыми источниками электроэнергии являются: ветроэлектростанции, солнечные электростанции и др.

1. Ветроэнергетика

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии [2]. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), и так далее. [2]. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью., Так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии) [2].

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Решением этой проблемы может стать разработка более эффективных способов хранения электроэнергии и интеллектуальное управление её распределением.

 

Генерация электроэнергии из энергии ветра

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую [3].

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. И приблизительно вычисляется по формуле:

                                                                                                                        (1),

где N – мощность генерируемой энергии, V – скорость ветра p – плотность ветра S – отметаемая площадь [3].

Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние.

Конструкция ветрогенератора

Рисунок 1 – Конструкция ветрогенератора

1. Фундамент

2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

3. Башня

4. Лестница

5. Поворотный механизм

6. Гондола

7. Электрический генератор

8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

9. Тормозная система

10. Трансмиссия

11. Лопасти

12. Система изменения угла атаки лопасти

13. Колпак ротора

Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератора. Одна из них (схема автономного обеспечения объекта с аккумуляторами) изображена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Принципиальная схема работы ветрогенератора

 

Возможный вариант работы схемы: Ветер раскручивает лопасти ветряка, тот в свою очередь вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же контроллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.

Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу параллельно с сетью с и без аккумуляторных батарей (рис. 3,4 соответственно). Такие схемы позволяют переключатся на энергию сети в случае отсутствия ветра. В схеме на рис.3 АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети [6]. В схеме на рис.4 общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей – в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока не разрешена в Украине и во многих других странах. Но является перспективным вариантом с точки зрения постройки распределенных электростанций (Smart Grid).

Рисунок 3 – Работа ветрогенератора с аккумулятором и коммутацией с сетью

Рисунок 4 – Работа ветрогенератора без аккумулятора на сеть

 

Достаточно сложным и дорогостоящим в схемах ветрогенераторов является инверторы. Очень часто в качестве инверторов используют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты, позволяющие из большого числа независимых источников энергии с малым уровнем постоянного напряжения (в качестве которых здесь используются аккумуляторы) получить выходное напряжение промышленной частоты, удовлетворяющие всем современным требованиям. Контроллер в каждой схеме подключения ветрогенератора выполняет различные функции и строится на основе микропроцессорной техники. Аккумуляторы являются самыми недолговечными устройствами в схемах. К сожалению, электроэнергия обладает одним очень серьезным недостатком: её сложно аккумулировать и сохранять долгое время.

2. Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. [4]

Плотность солнечной радиации на орбите Земли (перпендикулярно потоку) составляет 1,4 кВт/м2. За год на Землю приходит 1018 кВт*ч/м² солнечной энергии (рис. 5), 2% которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды (пустыни, горы, тундра). Проще говоря, если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент [5].

Рисунок 5 – Карта солнечного излучения на поверхности планеты

Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «выбивают» из металла электроны. А уже в 30-е годы советским физикам впервые удалось получить электрический ток с помощью фотоэффекта. Произошло это в физикотехническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов был крайне невысок и достигал лишь 1%. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и почти на два десятилетия замер на этом рубеже. И только в последние десятилетие снова возобновились исследования в области солнечной энергетики

В качестве материала для производства солнечных элементов сегодня используется кремний. Второй по распространенности на Земле, после кислорода, элемент. Чаще всего кремний встречается в виде оксида SiO2 (это обычный песок, который используют в строительстве). Здесь наибольшую трудность представляет добыча силициума, однако современные технологии позволяют получить килограмм кремния по себестоимости – 5-15 долларов. Тем не менее стоимость солнечной электроустановки в США на 1 КВт состовляет примерно 4000 долларов, а период окупаемости – 14-15 лет [5], что является непозволительно дорого. Учитывая вышесказанное, а также тот факт, что энергию такая установка может генерировать только днем, вполне понятна малая распространенность солнечных электростанций в мире.

Наибольшее распространение солнечные батареи получили в космонавтике, где они используются в спутниках как основной источник электроэнергии.

 

Принцип работы солнечной батареи.

 

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) на основе монокристаллического кремния показана на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Конструкция ячейки солнечной батареи

 

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий "дырочной проводимостью" (p-тип). Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора (n-тип). На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт [7].

В результате действия солнечных лучей, фотоны света «выбивают» электроны с n-слоя. Как следствие у границы n-и p- слоёв образуются обеднённые зоны с не скомпенсированным объёмным положительным и отрицательным зарядом в n- и p-слоях соответственно. Таким образом возникает разность потенциалов между слоями [7]. Проще говоря, солнечный элемент представляет собой, постоянно заряжающуюся, батарейку.

На рисунке 7 показана возможная схема работы солнечной батареи.

Рисунок 7 – Работа солнечных батарей

В последнее время солнечные батареи получают все большее распространение. В высокотехнологичных странах мира ведутся разработки прозрачных солнечных батарей, которые могли бы быть использованы как стекла в домах, экраны в мобильных и других устройствах.

Также возможна работа солнечной электроустановки в комплексе с ветрогенератором (рис 8)

Рисунок 8 – Гибридная автономная система «солнце-ветер»

Таким образом использование альтернативных источников энергии необходимо рассматривать в комплексе с рядом проблем, возникающих при их эксплуатации. Многие ведущие ученые мира связывают решением этих проблем с созданием, так называемой, системы "Smart Grid" (умная сеть). Очень важно развивать существующие технологии, особенно на фоне постоянно растущего спроса на электроэнергию.

Список литературы

1. Портал alterenergy.info [электронный ресурс].–Режим доступа: alterenergy.info

2. Ветроэнергетика [электронный ресурс].–Режим доступа wikipedia.org

3. Ветрогенераторы [электронный ресурс]. – Режим доступа wikipedia.org/Ветрогенератор

4. Солнечная энергия [электронный ресурс]. – Режим доступа wikipedia.org/Solar

5. Солнечная система [электронный ресурс]. – Режим доступа galspace.spb.ru

6. Ветрогенератор [электронный ресурс].–Режим доступа wind.ae.net.ua

7. Как это работает? [электронный ресурс]. – Режим доступа howitworks.iknowit.ru

 

В начало...