Возобновляемые источники

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.

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

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 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 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 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 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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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.