FindSlide.org - это сайт презентаций, докладов, шаблонов в формате PowerPoint.
Email: Нажмите что бы посмотреть
/81
/81
Renewables global status report 2012; http://www.map.ren21.net/GSR/GSR2012.pdf
/81
Годовые изменения температуры по берегам океанов приводят к стабильным по сезонам областям высокого и низкого давления и вызывают муссоны. В основном также в тропиках, но бывают и в других местностях. В России – на Дальнем Востоке, а также на части побережья Северного Ледовитого океана.
Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений.
Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.
Большая Советская Энциклопедия
/81
В субтропических широтах зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей дуют переменные ветра между западным и юго-западным направлениями в северном полушарии и между западным и северо-западным в южном. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают вихревые движения, усложняющие схему циркуляции атмосферы.
Общая циркуляция земной атмосферы
/81
Зоны со среднегодовыми скоростями ветра:
1 - выше 6 м/сек;
2 - от 3,5 до 6 м/сек;
3 - до 3,5 м/сек.
Ветровые зоны России
/81
Анализ графиков изменения скорости ветра в Кронштадте показывает, что ВЭС может производить выработку электроэнергии от 40 до 70 % времени каждого месяца в течении года. Выработка энергии в часы пик составляет 50-70 % месячной выработки.
/81
Ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра
Ветровое колесо имеет вертикальную ось вращения
Ветровое колесо вертикально, ось вращения горизонтальна, перпендикулярна направлению ветра (в)
Карусельные (а)
Роторные Савониуса (б)
/81
Быстроходность – отношение скорости конца лопасти к скорости ветра: Z = ωR/V
По этому параметру крыльчатые ветродвигатели делятся на многолопастные тихоходные (Z≤2), малолопастные тихоходные (Z>2), малолопастные быстроходные (Z>3).
В настоящее время наиболее широко используются малолопастные крыльчатые
и роторные
ветродвигатели
Типы ветродвигателей
/81
Здесь Сх – коэффициент лобового сопротивления, ξ – коэффициент использования энергии ветра, зависит от скорости U перемещения поверхности в направлении ветра. При U=0 и U=V скорость ветра не используется!!!
Для получения максимального ξ необходимо U=V/3 (что соответствует ξ=0.192).
В случае реального ветроколеса задача сложнее, необходимо учитывать вращение и наклон плоскости лопастей в результате значения ξ возрастают.
Работа поверхности под действием ветра
Городов Р.В. и др., ТПУ, Томск, 2009
/81
Крыло состоит из маха а и лопасти б, образующей с плоскостью вращения угол φ – угол заклинения лопасти.
Набегающий воздушный поток действует с силой R, раскладываемой на Px – лобовое давление ветра, и Py, создающей крутящий момент.
Так как круговая скорость элемента лопасти возрастает по мере удаления от оси, то при постоянном φ интегральное использование энергии ветра не будет оптимальным. Оптимизация – угол φ уменьшается с ростом расстояния от оси.
У оптимизированных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра с учетом потерь ξmax_real ≈ 0.35-0.40.
/81
European Wind Atlas - http://www.windatlas.dk/europe/landmap.html; Enercon - http://www.enercon.de/en-en/66.htm
Раздел 2
/81
US National Renewable Energy Laboratory, http://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54526.pdf
/81
Проблемы и перспективы
/81
Раздел 3
/81
Топливные гранулы (пеллеты) – результат прессования при высокой температуре отходов производства: древесные опилки, стружка, кора, сучки, ветки и т.д.
Технология разработана в России в 1830-х годах А.П.Вешняковым первоначально для использования отходов древесного и каменного угля.
Теплота сгорания 1 кг гранул = 1.6 кг дров. Зольность ~1% (дрова – 20%).
Древесные гранулы
Древесина - первое биотопливо
Раздел 3
/81
Более выгодна разработка специальных биореакторов
Раздел 3
/81
Статистическая информация
Китай: с 1970-х годов строится 1 млн метантенков в год. 2000 г – 30 млн метантенков используют 109т отходов => 5·1011м3 метана в год – обеспечивает 30% потребности газа.
Индия: 1930-е г – принятие первой в мире программы использования биогаза. 1 млн метантенков производит более 109 м3 метана в год. Государство субсидирует их установку.
США: на биогаз перерабатывается 372 млн т отходов в год с получением 1.5·1011м3 метана, что обеспечивает 1.9% потребления газа.
Англия: с 1990 г биогаз покрывает все энергозатраты в сельском хозяйстве.
Германия: основное направление – производство газа для работы небольших ТЭС. На 2010 год 5905 установок производят 2.3 ГВт электрической мощности (12.6% от всего производства за счет возобновляемых ресурсов).
Использование биореакторов
Раздел 3
/81
Экономическое обоснование
/81
Основные энергозатраты связаны с дистилляцией.
Использование отходов биомассы для выработки электроэнергии и обеспечения производства теплом – основа рентабельности получения этанола.
Биоэтанол
/81
Процессы производства этанола
/81
Использование этанола в качестве топлива
/81
Пример – комплексная переработка сахарного тростника
Ферма
Доставка сырья
Измель- чение
Жмых
Сок
Водопаровой котел
Сахар
Патока
фанера
электричество
тепло
рафинад
др. продукты
спирт
корм
др. продукты
Сжигание отходов переработки – обеспечение энергией и теплом. Электричество и спирт – выполнение транспортных операций. Можно добиться почти полного самообеспечения фермы энергией.
Максимально полное использование отходов
Раздел 3
/81
Интенсивность солнечного излучения
/81
/81
/81
Используют энергию солнечной радиации для выработки электроэнергии
Солнечная энергия
Тепловая энергия
Электрическая энергия
Солнечная энергия
Электрическая энергия
Паровой котел
Турбинный генератор
Фотоэлектрический генератор
Пример: Solar Energy GS, США
Последний этап сдан в 1990.
936000 приемников излучения
354 МВт
Пример: Agua Caliente, США
Очередной этап сдан в 2012.
5.2 млн фотоэлектромодулей
247 МВт (к 2014 г. – 397 МВт)
Солнечные электростанции
/81
Солнечные тепловые электростанции
/81
Солнечные электростанции башенного типа
J.Graham-Cumming, “The geek atlas”, O’Railly Media, 2009
http://books.google.ru/books?id=HhEC0q-O1ewC&pg=PA112&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
/81
/81
Многоуровневая система аккумуляции энергии
/81
Примеры: Nevada Solar One, США, 64 МВт (открыта в 2007); Andasol 1-3, Испания, 150 МВт (открыта в 2009)
Параболические желоба
/81
Параболические концентраторы
/81
Солнечные пруды
/81
Фотоэлектрические солнечные электростанции
/81
Основные необратимые потери в ФЭП
Предложены достаточно экзотические методики повышения КПД. Например: солнечный свет разлагают, каждый участок спектра попадает на свой оптимизированный ФЭП.
/81
Современные фотоэлектростанции
Строительство Agua Caliente
Строительство активно поддерживается государством: предоставляют налоговые льготы и государственные поручительства по кредитам, а потребителей заставляют приобретать определенный процент электричества от возобновляемых ресурсов.
/81
Достоинства солнечной энергетики
/81
Фундаментальные проблемы СЭС
/81
Технические проблемы СЭС
/81
Экологические проблемы СЭС
http://www.bbc.co.uk/news/world-asia-pacific-14968605
/81
Проблема аккумуляции энергии
/81
Другой вариант – сжижение азота из воздуха, при необходимости он превращается в газ за счет отработанного пара ТЭС и направляется на турбину.
КПД процесса при многоступенчатой системе охлаждения достигает 70%.
http://www.highview-power.com/wordpress/?page_id=8 ; http://science.compulenta.ru/711648/
/81
Прочие методы аккумуляции энергии
/81
/81
/81
Типы месторождений термальных вод
Конвекционное происхождение – в районах современной или недавней вулканической деятельности (повышенный температурный градиент – 45-70°/км). На поверхность выходят горячие воды и пароводяная смесь. Нынешние ГеоТЭС работают в таких районах.
Кондуктивный прогрев – воды сосредоточены в платформенных и предгорных впадинах при нормальном геотермическом градиенте (33°/км). Обнаружены сотни бассейнов в несколько млн.км2. Перспектива: с глубин до 15 км – до 350°.
Происхождение термальных вод
/81
Распространение термальных вод
/81
Схема ГеоТЭС с прямым использованием природного пара
Геотермальные электростанции
/81
Строительство незначительно дороже ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием пара. Пример: Ландарелло-2 (Италия), 7 турбин по 11 МВт.
По похожему принципу строятся ГеоТЭС на отсепарированном паре, если в паре большое содержание воды. Примеры: Паужетское месторождение (Россия), Хверагерди (Исландия).
Преимущество схемы в том, что чистый пар облегчает работу турбин.
Схема ГеоТЭС с паропреобразователем
ГеоТЭС с бинарным циклом
/81
Состояние геотермальной энергетики в России
http://www.geotherm.rushydro.ru/upload/iblock/830/hrqrxzjnornaeq%20jstmvlppzs%20ndaxcizjaqaypj%202011.pdf
/81
Проблематика
Deichmann, N.; et. al. (2007), Seismicity Induced by Water Injection for Geothermal Reservoir Stimulation 5 km Below the City of Basel, Switzerland, American Geophysical Union, 2007AGUFM.V53F..08D
/81
Перспективы использования гидротерм
/81
90% солнечного излучения поглощается 10-метровой толщей воды.
Запасенное тепло: излучается, идет в атмосферу (испарение, теплопроводность).
Запасенная водой энергия переносится ветрами и течениями.
1/3 солнечного излучения отражается, а 2/3 испытывают различные изменения:
43% преобразуется в тепло
22% расходуется на испарение и образование осадков
0.2% сообщают энергию ветрам, волнам, течениям
0.02% идет на образование продуктов фотосинтеза
Суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли, и приливной энергии, имеет тот же порядок величины.
Использование энергии волн
Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. КТЭС, 2004
/81
Удельная мощность ветрового волнения в прибрежной полосе РФ
Преобразование энергии волн
1. Отслеживание профиля волны. Шотландия, 100 МВт с 5 км
2. Энергия колеблющегося столба. Норвегия, 500 кВт (тестовый блок)
/81
Использование энергии приливов
Пригодные для преобразования течения – у побережья и в проливах.
Устройства преобразования энергии сходны с устанавливаемыми на реках.
При max. скорости течения 5 м/с средняя мощность ~14 кВт/м2. Перекрыв 1000 м2 ⇒ ПЭС 14 МВт – всего в 3 раза больше максимальной из стандартных контейнерных дизельных ТЭС!
Затраты на сооружение весьма высоки! Строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливов, где другие источники энергии еще более дороги
/81
При оценке учитывались: время эффективной работы (для приливов, волн); КПД: (от 3% для преобразования градиента солености до 60% для ветра); возможности размещения с учетом технологических и экологических факторов. Важно учитывать стабильность источника энергии и плотность энергии – дает оценку размеров преобразователей и режимов использования энергии.
Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. КТЭС, 2004
/81
Методика теоретически и практически аналогична использованию ветряков!
Сложность обслуживания в море
Коррозия и обрастание
Сложность передачи энергии
Большие глубины – удорожание, малые – помехи судоходству
Предпочтительны быстрые и постоянные по направлению течения и удобная для обслуживания география дна.
Географические данные не позволяют сейчас строить ОГЭС в открытом океане, где наблюдаются наиболее мощные течения
Использование энергии океанских течений
Формулы – как в ветроэнергетике, но ρ в 750 раз больше!
/81
Для более точной оценки – карта с распределением зон максимального перепада температур.
При изъятии части тепла баланс его в море поддерживается течениями и Солнцем.
Дополнительный вариант: использовать ΔТ между водой и воздухом.
В Арктике 8 месяцев в году Твоздуха<-20ºС, Тводы~+2ºС. При этом 1 м3 воды, пропущенный за 1 с через преобразователь с η=5%, даст 10 кВт. Работающая на фреоне система сможет конкурировать с ДЭС на завозном топливе.
Пусть ΔТ=12º сохраняется на свободной ото льда площади 3·1014 м2 в слое 100 м. Тогда W=ρVCpΔT=1.5·1024 Дж.
Ресурсы тепловой энергии океана
/81
Прямое преобразование тепловой энергии
/81
Экономические характеристики
/81
/81
Красными линиями показаны уровни установленной мощности ветроэлектростанций и солнечных батарей.
Видно, что реальная выработка заметно ниже установленной мощности!
/81
Черные графики – потребление, синие – производство ВЭС, красные – суммарное производство ВЭС и солнечных электростанций.
Налицо сильная неравномерность на масштабах как года, так и суток.
/81
Большая мощность обычно требуется на довольно небольшой срок.
/81
/81
Навоз – основное сырье для биореакторов
Раздел 8
Работа биореактора
КПД пиролиза =
Qсгорания производного топлива
Qсгорания используемой биомассы
= 80-90%
Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают меньшей (на 10-20%) по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, но отличаются большей универсальностью применения.
Получают древесный уголь, смолы, ацетон, метан, эфиры, сырье для синтеза спиртов…
Раздел 8
ТТХ ГАЗ-42 в сравнении с прототипом (ГАЗ-АА-ММ):
грузоподъемность – 1200 кг /1500 кг (потеря за счет массы установки), мощность – 30 л.с. / 50 л.с., скорость – 50 км/ч / 70 км/ч, расход на 100 км – 80 кг дров / 19.5.л бензина.
Выгода – экономия дефицитного бензина.
В настоящее время широко распространены только в Северной Корее.
Пример использования продуктов пиролиза
Раздел 8
Плотность солнечного излучения на поверхности Земли, Вт/м2
Проект мировой сети фотоэлектростанций
Matthias Loster (University of California); http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/
Проект мировой сети фотоэлектростанций (1)
Космические солнечные системы
Расчетные показатели КСЭС
Хранение энергии в расплавах солей
Подробнее: http://e06.power.bmstu.ru/inc/methodiks/afp.pdf
Электрические аккумуляторы
Совмещение с водородной энергетикой
Характерные особенности поверхностных волн на глубокой воде:
Нераспадающиеся синусоидальные с нерегулярной длиной, фазой, направлением
Амплитуда движения частиц экспоненциально спадает с глубиной
a не зависит от λ, с, Т, а лишь от характера взаимодействия ветра и воды
Нет поступательного движения воды – частицы движутся по кругу радиусом а.
Основные соотношения
Мощность, переносимая в направлении х на ширину волнового фронта
; фазовая скорость
;
На практике – нерегулярные волны, а не сумма волн в одном направлении; извле-каемая направленным преобразователем мощность ~0.5-0.9 переносимой волнами
Средняя потенциальная мощность за период прилива W=E/τ
На практике наблюдаются следующие проблемы:
Часть потенциальной энергии (при низкой воде) не может быть преобразована
Необходимы специальные (реверсивные) турбины под условия ПЭС
Невозможно обеспечить равномерную выработку электроэнергии
Реально ПЭС может работать и при наполнении бассейна с реверсивной турбиной. При оптимизации можно перерабатывать до 90% потенциальной энергии прилива
Макет приливной станции в Рансе
Кислая Губа, Мурманская обл. Построена в 1968 году, 1 генератор производства Франции работал до 1994 г. для исследования возможности применения французского опыта в наших условиях (возможное сильное обледенение). Открыта снова в 2004, 2 агрегата «ПО Севмаш»: 200 кВт и 1.5 МВт.
Места возможного строительства ПЭС в России
Разработаны проекты для Охотского моря: Тугурская ПЭС (8 ГВт, срок строительства – 11 лет, стоимость - ~$1100/кВт (столько же, сколько и на сложную ГЭС), срок окупаемости – 8 лет.); Пенжинская ПЭС (могла быть крупнейшей в мире, 87 ГВт – приливы 5-13 метров, суточный проход воды 360-530 км3 – 20-30 Амазонок). Проекты заморожены в 1990-х.
ПЭС в России