Министерство образования и науки РоссийскойФедерации
Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение
высшего профессионального образования «Уральскийфедеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Кафедра«Энергосбережение»
РЕФЕРАТ
По дисциплине «Основы энергосбережения»
Тема: «Возобновляемыеисточники энергии. Энергия солнца. Возможности использования в России и на Урале»
Студент Ларин А. И.
Группа М-56011
Преподаватель Силин В. Е.
Екатеринбург
2010
Нетрадиционные и возобновляемыеисточники энергии. Их плюсы и минусы
В последние годы как в научно-техническойлитературе, так и в популярных изданиях появляются многочисленные публикации онетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ). Оценки возможностей ихширокого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических.«Зеленые» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетикуна использование НВИЭ. Мнения специалистов гораздо более осторожны.
Каковы же этинетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относятсолнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн,биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальнуюэнергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются оттрадиционных — более крупных — ГЭС только масштабом.
Указанные источникиэнергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительнымотносятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическаячистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников несодержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как быбесплатная.
Отрицательные качества- это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во временибольшинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площадиэнергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемныеповерхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотиныприливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкостиподобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений посравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенныекапиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат,но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочетиспользовать НВИЭ.
Больше неприятностейдоставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечноеизлучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если,например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступлениясолнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее,значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще болееизменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки принеизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постояннуювыработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильноепроизводство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, еслиони снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».
Говоря о производствеэлектроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьмаспецифический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, чтои произведен. Ее нельзя отправить «на склад», как уголь, нефть или любой другойпродукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблемааккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нетоснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.
Что же касается«бесплатности» большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируетсязначительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. Врезультате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатнуюэнергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же времянаиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, неимеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сетицентрализованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспеченияпутем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, нов силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количествесоответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода неиспытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном посоображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.
В целом использованиеНВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. Внекоторых странах доля нетрадиционных источников в энергобалансе составляетединицы процентов. По различным прогнозным оценкам, в которых в настоящее времянет недостатка, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет илипревзойдет 10%. Здесь можно дискутировать только о темпах роста данногопоказателя, но сам факт роста не подвергается сомнению.
Энергиясолнца. Возможности использования в России и на Урале
С моментапоявления на земле человек начал использовать энергию солнца. Поархеологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим,закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам. Вокруг светиласоздавались мифы, его обожествляли. В Древнем Египте верховным божествомсчитался Ра — бог Солнца. Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считатьстатую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуирасполагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучамиприводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Грециипоклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов,связанных с солнечной энергетикой. У древних славян особо почитался Даждьбог —солнце, источник тепла и света. У древних инков были загадочные сооружения, покоторым сегодня мы можем предложить версию, что они могли использоваться какгелиоколлекторы. Солярная символика являлась оберегом для человека и его жилища(см. рисунок). Такие изображения и сегодня можно встретить в орнаментахтрадиционного жилища. Понятные нам теперь солнечные затмения в древностивоспринимались простыми людьми как катастрофы. Вокруг этого явленияскладывались легенды. Появление огня, поддерживающего свою жизнь древесиной исогревающего человека, не изменило такую привязанность. А что такое древесина?Это практически та же солнечная энергия, аккумулированная с помощьюфотосинтеза. А газ, уголь, нефть? Это также результат деятельности солнца.
Как видно,такой природный и поистине бесценный источник, как солнечная радиация, былвсегда рядом с человеком, его старались использовать, приручить стихию. Снезапамятных времен пространственную структуру своего жилья человекорганизовывал с учетом ориентации на Солнце. Фактически то, что мы сейчасназываем энергосберегающими строительными приемами, есть ничто иное, какпопытка грамотного использования и сохранения тепла, дающего нашим светилом, взданиях.
Еще в началепрошлого века человек с успехом пользовался этим явлением. На рубеже XIX и XXвеков делались попытки создания различных технических устройств обуздания ииспользования энергии солнца.
Но запоследние 100 лет, несмотря на интенсивное развитие технологии, этотэнергоноситель, так верно служивший человеку, был незаслуженно забыт.Результаты такой забывчивости не замедлили сказаться: нам грозит энергетическийкризис, не за горами экологическая катастрофа. И только в два последниедесятилетия интерес к использованию энергии солнца стал расти.
Более чем в70 странах мира разработаны и действуют гелиоэнергетические программы. Так вГермании реализован проект «Тысяча крыш», где 2250 домов было оборудованофотогальваническими установками. В США принята программа «Миллион солнечныхкрыш», рассчитанная до 2010 г. В настоящее время эксплуатируется более миллионасолнечных водонагревателей. Получают распространение «солнечные дома». Разработаныспособы управления регулированием систем.
Во всем мирепроизводится анализ эффективности по использованию возобновляемых источниковэнергии. Мировыми лидерами по применению энергии солнца являются США, Германия,Нидерланды, Дания, Индия. Также активно ведутся разработки в таких странах, гдеклиматические характеристики близки к Московской области, таких какСкандинавия, Норвегия, Канада.
Использованиевозобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца, приобрело ощутимыемасштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к2010-2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более.
Конечно, насегодняшний день без дублирующих систем энергоснабжения зданий, использующихневозобновляемые ресурсы, не обойтись, но даже 20%-ное замещение их даетнесомненный положительный эффект. Что дают эти 20%? Это прежде всего, снижениена 1/5 использования количества невозобновляемых энергоносителей, используемыхдля эксплуатации зданий, снижение риска надвигающейся экологической катастрофыи, что самое важное для хозяина, снижение затрат на содержание своего дома.
Возможностьполного, либо частичного замещения невозобновляемых энергоносителей дляэнергоснабжения зданий позволяет решить многие проблемы. Просто необходимообеспечить жилые дома экологичными системами отопления (и летнего охлаждения),горячего водоснабжения. Да, конечно, стоимость оборудования и монтажагелиосистем на сегодняшний день не самое дешевое и не самое простое решение. Нос учетом того, что солнечная энергия ничего не стоит, а стоимость наневозобновляемые энергоносители постоянно растет, оборудование окупится за 2-3года и будет служить до полного износа.
С учетомперспективы разработок, ведущихся в этом направлении, можно смелопрогнозировать, что к 2015 году появятся новые гелиосистемы, с большейэффективностью и сроком окупаемости до 1 года. Стоимость установок сегодня ужена порядок ниже, чем была 10 лет назад.
Можно лииспользовать энергию солнца в энергоснабжении жилых зданий, расположенных в среднейполосе России?
Долгое времяв нашей стране считалось, что солнечные установки целесообразны только врегионах с жарким климатом. Однако опыт использования их в таких местностях,как Аляска, Канада, Норвегия, Северная Америка, близких по климатическимусловиям, показывает, что их можно применять и в нашей средней полосе, вчастности в Московской области. Московская область размещена наВосточно-Европейской равнине в зоне перехода от Смоленско-Московскойвозвышенности до Мещерской низменности. Переходное положение между разнымиприродными районами создает в области значительные перепады высот на местности.Природно-климатических условий достаточно для круглогодичной эксплуатацииэнергии солнца.
Различныестроительные приемы использования возобновляемых источников энергии как вреконструируемых зданиях, так и при новом строительстве дают такую возможность.Надо только правильно их использовать.
В 60-70-х гг.в нашей стране предпринимались шаги по использованию нетрадиционных видовэнергии. В это время появились также фотоэлектрические установки автономногоэлектроснабжения, прекрасно зарекомендовавшие себя в космосе. К концу 80-хгодов в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения собщей площадью около 150 тыс. м², а производство солнечных коллекторовдоходило до 80 тыс. м² в год. Экономические осложнения, возникшие в 90-егоды, затормозили развитие использования нетрадиционных видов энергии в нашейстране. Однако сегодня и в нашей стране НВИЭ получают все большеераспространение.
Солнечная энергияиспользуется в основном для производства низкопотенциального тепла,коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Общемировоепроизводство низкопотенциального тепла в ближайшей перспективе составит 5*106Гкал. Мировая суммарная мощность фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.
Созданиезаконодательной базы использования НВИЭ в России стимулирует дальнейшееразвитие. Законом «Об энергосбережении» 1996 г. установлена правовая основаприменения электрогенерирующих гелиоустановок. Государственной Думой и СоветомФедерации принят закон «О государственной политике в сфере использованиянетрадиционных возобновляемых источников энергии». Ведется разработкафедеральной программы по использованию НВИЭ. В России на сегодня есть всепредпосылки для его дальнейшего развития. С выходом из кризисногоэкономического состояния станет возможным развитие промышленности,научно-технической базы и др. деятельности. Как и во всем мире, ростиспользования этих источников необратим.
Экологическаяситуация требует от архитекторов и строителей нового мышления. Современнаяэнергетика, ставшая сегодня традиционной, в зависимости от вида энергоносителяв целом, оказывает отрицательное воздействие на экологию окружающей среды. Хотябы в области энергоснабжения зданий и городов необходимо принимать решения,позволяющие эффективно использовать возобновляемые ресурсы.
Анализпубликаций, в частности материалов Internet, показывает, что энергетическиепотребности в энергии во всем мире стимулируют разработку приемов поиспользованию возобновляемых источников энергии четвертого поколения. Такиеприемы при меньших затратах на монтаж и оборудование позволяют эффективноэксплуатировать солнечные установки для энергообеспечения зданий.
Средиразработок можно выделить два главных направления, которые следует учитывать:
разработка иприменение солнечных энергоустановок с ограниченным уровнем мощности дляэнергоснабжения мелких автономных потребителей;
созданиесолнечных энергетических станций ограниченной мощности в северных районах (типаАляски). Это может радикально решить проблему использования возобновляемойэнергии в масштабах, ощутимых в мировом энергобалансе.
Как можетосуществляться альтернативное использование солнечной энергии при эксплуатациизданий? Рассмотрим несколько основных положений:
солнечнаяэнергия — воздействие солнечной радиации на здание или воспринимающиеповерхности. Для восприятия солнечной энергии необходима ориентациявоспринимающих плоскостей на южную сторону, т.е. наиболее эффективно широтноерасположение жилых домов;
пассивноеиспользование солнечной радиации возможно за счет восприятия и отдачи энергиипри прямом улавливании лучей через остекленные проемы (окна, витражи, витрины)и косвенном, за счет массивов стен, крыш, ограждений зимних садов и т.п.;
активноеиспользование солнечной радиации возможно за счет восприятия и передачи энергииспециальными устройствами — гелиоколлекторами, солнечными фотоэлектрическимиустановками наземного использования и т.п.;
возможноустройство энергоактивных пристроек к реконструируемому зданию, конструкции иформы которых предназначены для создания оптимального восприятия солнечнойэнергии;
устройствоинтегрированных систем, использующих энергию солнца в различном временномсочетании, позволяет с большей эффективностью использовать альтернативнуюэнергию в организации жилой среды;
архитектурноеи конструктивное решение гелиоэнергоактивного (своими формами и конструкциямиспособного воспринимать солнечную энергию) здания зависит от технологиииспользования гелиосистем. Пластика решения фасадов определяет максимальнуюэффективность улавливания солнечных лучей;
энергоактивныездания с интеграцией систем, воспринимающих энергию солнца, позволяютзначительно повысить эффективность гелиосистем для климатических условий среднейполосы России.
Каковы жеосновные принципы, которых следует придерживаться при проектировании илиреконструкции здания с возможностью использования строительных приемовальтернативного энергоснабжения?
Прежде всего,необходимо учитывать климат региона и метеоусловия конкретной местностистроительства, условия освещенности солнечными лучами гелиополя. Проектобязательно должен учитывать условия энергосбережения, оптимального восприятиязданием солнечных лучей;
энерговоспринимающиечасти установок необходимо правильно ориентировать с учетом максимальнойэффективности;
припроведении строительства и реконструкции жилых зданий с последующимиспользованием в них альтернативного энергообеспечения необходимо стремиться ксозданию энергетически эффективного здания, теплопотери которого сведены кминимуму за счет оптимального объемно-планировочного решения и усиленнойтеплоизоляции. Предполагается экологический подход к созданию жилой среды;
рекомендуетсяинтегрированное использование солнечных установок с подключениемэлектрогенерирующих установок к электросети для сброса избыточной энергии изабора недостающей, т.е. предусматривать дублирующую систему;
развитиесерийного производства, упрощение конструкции альтернативных систем можетзначительно снизить себестоимость энергии от альтернативных систем;
припроектировании солнечных систем для работы в климатических условиях среднейполосы России необходимо стремиться к углу наклона гелиоколлектора 700 ивозможности корректировки угла 2 раза в год в зависимости от летне-зимнегопериода (400 — летом и 700 — зимой).
Ярким уральскимпримером стал дом, построенный в поселке Растущий Белоярского района.Специалисты УГТУ-УПИ, занимающиеся изучением природной энергии, создали егосами для себя. Из заброшенного коровника получился комфортабельный красивый домобщей площадью 2400 м2. 25% энергии для нужд дают ветряк мощностью 4 кВт исолнечные батареи.
В условияхУрала солнечную энергию целесообразно использовать там, где нет другихисточников питания, – говорит преподаватель кафедры электротехники ИгорьВитальевич Кирпичников. – Пока это дорогое удовольствие. За 1 Вт нужно будетзаплатить от $ 2 до 8, а за 1 кВт соответственно $ 8000. Здесь предстоят идругие траты: солнечную батарею необходимо будет оснастить аккумулятором, чтобыэнергия именно накапливалась и была, так сказать в наличии, когда темно. К томуже, каждый электроприбор нужно обеспечить преобразователем напряжения, т.к.электроток из солнечных батарей получается постоянный. В общем, для Урала использованиесолнечных батарей скорее получается как дополнение к основному источникуэнергии.
В санатории“Обуховский”, расположенном в Свердловской области, испытываются энергосберегающиетехнологии для последующего их внедрения. Для нагрева минеральной воды впитьевом бювете был установлен солнечный коллектор.
В состав солнечногоколлектора входят: солнечные панели, бак-аккумулятор с теплообменником внутри,насосная группа, блок управления (микропроцессор), расширительный бак и систематрубопроводов по двухтрубной схеме: антифриз (до -600°С) – минеральная вода.
Солнечная установкасмонтирована с целью испытать подобные технологии в условиях Свердловскойобласти, а также определить целесообразность их установки на Урале.Исследование проводилось по заказу министерства энергетики и ЖКХ ГБУ СО“Институт энергосбережения” и НПФ “Энтальпия”. Во время испытаний тепловаямощность солнечного коллектора достигала 7,32 кВт и снижалась при прохожденииоблаков до 2,43 кВт. По заключению экспертов, пилотный проект удался, нонеобходимо круглогодичное испытание. В случае удачного завершения экспериментаподобные установки появятся в ряде бюджетных предприятий области.
Выводы
1. Bo всем миренаблюдается стремительный рост интереса к фотоэнергетике, которая в ближайшиегоды может превратиться в процветающую отрасль промышленности.
2. Основным материаломдля изготовления СЭ в настоящее время и в перспективе является кристаллическийкремний.
3. Перед промышленноразвитыми странами встает проблема снижения стоимости кремния — сырца ниже 20долл/кг и создания специализированного производства кремния для фотоэнергетикиобъемом 10 000 т/год.
4. Техническийпотенциал России позволяет ей занять одно из ведущих мест на мировом рынкепродаж солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических систем.
Сгенерированная наоснове солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20-25 %потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Какполагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечнаяэнергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространенияпередовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращениевыбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно.