Возобновляемые источники

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика

Биоэнергия

Биоэнергия

 

Солнечная энергетика

К началу

Солнечная энергетика — это направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании излучения Солнца для получения энергии. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергиии является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии или SmartGrid.

Фотоэлектрический модуль (солнечная батарея) — это возобновляемый источник электроэнергии, который преобразует энергию солнечного света в электроэнергию с помощью фотоэлектрического эффекта.

IMG_5648

Вид солнечной электростанцииг. Магдебурга (Германия) мощностью 8,5 МВт

Фотоэлектрические модули независимы от топлива, не выделяют никаких вредных веществ, не загрязняют окружающую среду и не производят никакого шума при работе и поэтому являются одними из самых экологически чистыми источниками электроэнергии.

Благодаря тому, что в них не применяются подвижные составляющие, солнечные батареи достаточно надёжны и стабильны.Срок службы составляет порядка 30-50 лет. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации.

Фотоэлектрические модули способны вырабатывать достаточную электрическую энергию для питания энергосистем различного типа. В зависимости от области применения фотоэлектрические модули могут иметь различные конструктивные решения и разные выходные мощности.

Виды солнечных панелей

Виды солнечных панелей

Фотоэлектрические батареи (модули) или солнечные панели делятся на несколько видов, в зависимости от способа изготовления солнечных модулей:

  • Монокристаллические;
  • Поликристаллические;
  • Солнечные модули из аморфного кремния;
  • Арсенид-галиевые (AsGa).
  • Тонкопленочные;

 

Монокристаллические солнечные модули
Монокристаллические солнечные модули
Солнечные панели из монокристаллического кремния на настоящее время имеют оптимальные показатели эффективности, а срок их службы составляет более 30лет.
КПД солнечной батареи на основе монокристаллического кремния составляет 14-19%.
Модули производятся из псевдоквадратных фотоэлектрических преобразователей покрытых антиотражающим покрытием. Солнечные монокристаллические модули сделаны из целостного слитка кремния и благодаря этому достигается их высокий КПД преобразования энергии. Оригинальная запатентованная технология обеспечивает оптимальный режим зарядки при высоких температурах, а также при низком уровне освещенности.
Поликристаллические солнечные модули
Поликристаллические солнечные модули
Солнечные элементы из поликристаллического кремния – это один из самых распространенных типов модулей для солнечных батарей.
КПД солнечной батареи на этой основе составляет 10-12%.
Солнечные поликристаллические модули имеют отличное соотношение качества и стоимости, которое осуществимо благодаря более дешевому производственному процессу. Такие модули отличаются на вид от остальных вследствие случайной структуры кристаллов элементов.
Поликристаллические солнечные элементы имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле монокристаллических, так как имеют преимущества лучшего заполнения площади модуля.

Солнечные модули из аморфного кремния
Солнечные модули из аморфного кремния
В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов, поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света.
Эффективность аморфных модулей составляет порядка 8%, поэтому их требуется значительно большее количество, чем кристаллических модулей. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность - стекло, металл или другой материал.

Солнечные модули из Арсенида галлия
Арсенид галлия (GaAs) состоящий из элементов галлия и арсенида имеет кристаллическую структуру, похожую на кремниевую.GaAs обладаетболее высокимуровенем поглощения световой энергии, более высоким КПД преобразования энергии, чем у монокристаллического кремния (около 30 %), обладает высокой жаропрочностью. Арсенид галлияприменяется в дорогостоящих космических установках (спутники, орбитальные станции и.т.д.), где необходимо высокое сопротивление радиационному излучению и высокий КПД.
Ключевым недостатком арсенид-галиевых фотопреобразователей является очень дорогая монокристаллическая подложка, на которой GaAs растет.
Материалы на основе тонких пленок
Материалы на основе тонких пленок
В фотоэлектрических преобразователях на основе тонких пленок тонкий слой полупроводникового материала наносится на дешевый вспомогательный слой (стекло, металл или полимерная пленка). Преимущества данной технологии заключаются в гораздо более высокой светопоглощающей способностью по сравнению с кристаллическими материалами, в меньшей толщине нанесенного слоя фотоэлектрического материала, в простой и дешевой технологии производства. К недостаткам таких материалов можно отнести малую эффективность преобразования энергии из-за немонокристаллической структуры. Также большие площади массивов требуют и увеличения связанных с площадью затрат, таких как установка.
Материалами, используемыми в тонких пленках фотоэлектрических модулей, являются:
Аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди-индия-галлия (CuInSe2, или CIS).



Ветроэнергетика

К началу

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую энергию. Такое преобразование осуществляется такими агрегатами, какветрогенераторы. В настоящее времяединичная мощность современных ветрогенераторов колеблется от нескольких десятков киловатт до 7,5 мегаватт,и позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров – от 3,5 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов различной мощности.

Ветроагрегаты фирмы Siemens

Ветроагрегаты фирмы Siemens

Набегающие потоки ветра на высоте башни ветрогенератора – от 6 до 117 метров вращают лопасти. Энергия вращения передается по валу ротора на мультипликатор, который в свою очередь вращает асинхронный или синхронный электрический генератор.
При изменении направления ветра сенсоры на башне ветроагрегата подают команду, и механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру.

Вид современного офшорного ветропарка

Вид современного офшорного ветропарка

Стабилизация вращения ветроколеса ветрогенератора достигается различными методами, для небольших мощностей один из которых – поворот лопастей или их фрагментов вокруг своей оси под углом к направлению ветра.

Ветрогенераторы могут работать как по одиночке (единичный комплекс), так и группами (ветропарки). Часто один или несколько ветрогенераторов работают параллельно с дизель-генераторами в качестве средства экономии расходов на дизельное топливо.

По расположению оси ротора выделяют ветрогенераторы сгоризонтальной осью и вертикальной осью. Подавляющее большинство современных ветрогенераторов имеют горизонтальную ось вращения благодаря следующим преимуществам:высокий КПД, легкость регулирования мощности.

Ветроагрегат E-126 фирмы Enercon® номинальной мощностью 7,5 МВт

Ветроагрегат E-126 фирмы Enercon® номинальной мощностью 7,5 МВт

Ветроагрегаты с вертикальной осью вращения нашли некоторое применение благодарямалому шумупростоте конструкцииотсутствию необходимости ориентации ротора на ветер.



Геотермальная энергетика

К началу

Геотермальная энергетика— это направлениеэнергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергииза счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на специальных геотермальных станциях.

Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.

Вид гейзера

Вид гейзера

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.). Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т.п.
Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140-150°С, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями.

Так, разработанные в настоящее время комбинированные схемы использования геотермальных источников позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70-80°С.

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80ºС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Геотермальная электростанция Несьявеллир, Исландия

Геотермальная электростанция Несьявеллир, Исландия

Еще более впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией GeodynamicsLtd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС – так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий "гейзер". Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру.

По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270°С, и поэтому если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, ицикл таким образом повторится.
Однако в настоящее время геотермальная электроэнергетика развивается ускоренными темпами, не в последнюю очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные программы, поддерживающие это направление развития геотермальной энергетики.

Отметим, что геотермальные ресурсы разведаны в 80 странах мира и в 58 из них активно используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт•ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др.

Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также вряде других стран, в том числе: на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии; в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790 МВт; в Исландии, где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5 % всей электроэнергии в стране; в Кении, где в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3, 7]. Перечень государств, где ускоренными темпами развивается геотермальная электроэнергетика, безусловно, можно продолжить, включив в их число также Россию и Украину (что будет сделано несколько позднее).


Биогазовые энергетические установки

К началу

Биогаз – это смесь газов, основные компоненты которого: метан (CH4) - 55-70%, углекислый газ (СО2) – 28-43%, в также в очень малых количествах азот (N2), кислород (О2), водород (Н) и сероводород (H2S). Биогаз даёт пламя синего цвета без запаха, горит без дыма. Теплотворная способность биогаза 20-25 МДж/м3. 1м3 эквивалентен 0,7-0,8кг условного топлива. Объёмная теплота сгорания определяется в основном содержанием метана. Из всех газов метан имеет самую высокую температуру воспламенения – около 6450С.Биогаз успешно применяется как высококалорийное топливо. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80% метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Биогаз можно сжигать для получения электрической и тепловой энергии, использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в двигателях.

Биогаз возникает вследствие разложения органической субстанции (органика) бактериями. Разные группы бактерий разлагают органические субстраты, состоящие преимущественно из воды, белка, жира, углеводов и минеральных веществ на их первичные составляющие - углекислый газ, минералы и воду. Как продукт обмена веществ при этом образовывается смесь газов, получившая название биогаз. Горючий метан (СН4) составляет от 5 до 85% и является основным компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом.

 

Вид современной биогазовой установки

Вид современной биогазовой установки

 

Энергия, полученная из биогаза, принадлежит к возобновляемой, поскольку происходит из органического возобновляемого субстрата. Фактом является то, что ископаемые энергоносители на Земле заканчиваются и существует насущная потребность в альтернативных источниках, что придает еще большего значения производству биогаза на биогазовых установках. Кроме того, энергетическое использование биогаза по сравнению со сжиганием природного газа, сжиженного газа, нефти и угля является нейтральным по отношению к СО2, поскольку выделяемый СО2 пребывает в пределах естественного круговорота углерода и потребляется растениями на протяжении вегетационного периода. Таким образом, концентрация СО2 в атмосфере по сравнению с использованием твердого топлива не увеличивается.

Когенерационные биогазовые электростанцииявляются передовыми технологическими источниками энергии, которые набирают все большую популярность в Европе и во всем мире. Они работают на биогазе, выделяемом из городских свалок, канализаций, отходов предприятий аграрного сектора.

В современных когенерационных электростанциях биогаз используется в качестве топлива на базе газопоршневого двигателя для создания тепловой и электрической энергии.

 

Принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой установки

Принципиальная технологическая схема типичной фермерской биогазовой установки

Среднее время эксплуатации одной скважины составляет 15 лет, ориентировочный срок окупаемости проекта составляет 4-5 лет.

На Украине, в частности в Донецкой области, где преобладает большое количество угольных шахт, остро стоит проблема утилизации шахтного метана с целью обеспечения безопасности работы персонала. Одним из способов решения данной проблемы является строительство когенерационных электростанций (КГЭС), работающих как раз на шахтном метане.

Использование свалки бытовых твердых отходов (ТБО) для когенерационных электорстанций

Принципиальная схема комплексного решения энергоснабжения с использованием

биогаза от бытовых твердых отходов

На шахте имени А.Ф. Засядько вела в эксплуатацию КГЭС общую установочную мощность КГЭС 36 МВт электроэнергии и 34 мВт тепловой энергии.

 

 КГЭС на шахте имени А.Ф. Засядько

КГЭС на шахте имени А.Ф. Засядько

Преимуществами биогазовых технологий являются:

  • Независимость от государства в энергоснабжении и энергообеспечении.
  • Использование собственных ресурсов (биогаза).
  • Извлечение пользы из отходов.
  • Снижение вредных выбросов в атмосферу (Экономия на налогах).
  • Переработанное биогазовоетопливо более полезно в качестве удобрения.
  • Защита окружающей среды и климата.

 

pc2.png