WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Под общей редакцией профессора С. П. Кундаса Учебно-методическое пособие Минск 2011 1 УДК 620.91:621.311.2:620.97 ББК 31.15 Э65 ...»

-- [ Страница 2 ] --

энергия, окружающая среда, занятость населения, налогообложение, конкуренция, исследования, технологическое развитие, сельское хозяйство, региональные и внешние сношения.

Вступившей в силу в июне 2009 г. Директивой европейского парламента и совета по стимулированию использования энергии из возобновляемых источников предусматривается довести к 2020 г. долю энергии от возобновляемых источников до 20 % от общего количества потребляемой энергии.

В настоящее время на уровне ЕС имеются два инструмента для стимулирования развития возобновляемых источников энергии: Директива ЕС по стимулированию развития ВИЭ на рынке электроэнергии, а также Директива стимулирования рынка биотоплива. Центральным элементом вступившей в силу в 2001 г. Директивы ЕС по стимулированию развития ВИЭ на рынке электроэнергии является возрастание доли регенеративных источников в производстве электроэнергии от 14 % в 1997 г. до 21 в 2010 в 25 странах Евросоюза. Директива по стимулированию рынка биотоплива ставила цель довести долю биотоплива в общем потреблении топлива до 5,75 % к 2010 г. Эти две директивы послужат основой для принятия в 2011 г. нового закона, объединяющего сектора электроэнергии, биотоплива и теплообеспечения, в области использования ВИЭ (RL 2009 / 28 / еG). Этот новый закон будет являться составной частью европейского климатического и энергетического пакета, который предусматривает увеличение доли возобновляемых источников энергии в общем потреблении стран европейского союза с 8,5 % в 2005 г. до 20 в 2020. Эта цель должна быть достигнута всеми странами Евросоюза с учетом национальных особенностей. Что касается транспортного сектора, то в этих странах к 2020 г. должна быть достигнута доля биотоплива в размере 10 % в общем потреблении бензина и дизельного топлива.

В новой директиве предусматриваются дифференцированные национальные обязательства государств-участников по достижению доли возобновляемых источников энергии в конечном потреблении энергии, которые ориентируются на достигнутые результаты в 2005 г. и соответствующие национальные потенциалы. Национальные цели государствучастников ЕС на 2020 г. находятся между 10 % для Мальты и 49 % для Швеции. Для Германии предусмотрена национальная цель в размере 18 %. В приложении к постановлению ЕС от 09.03.2007 г. не предусматривается обязательной доли биотоплива, однако установлен минимальный размер 10 % энергий из возобновляемых источников в общем потреблении энергии в транспортной области. Поэтому в транспортном секторе существует возможность зачета не только биотоплива, но и других источников, например электрических и тепловых машин, которые используют энергию из возобновляемых источников. Для того чтобы достичь поставленных целей, директивы должны базироваться на национальных механизмах стимулирования.

По данным ежегодного отчета EurObserver (2009 г., оценка, рис. 3.4), в производстве первичной энергии в странах ЕС биомасса занимает первое место – 66,6 %, энергия гидростанций составляет 19,7, третье место – энергия ветра – 7,2 и геотермальная энергия – 4,8 %.

По производству электрической энергии лидирует энергия гидростанций – 55,8 %, энергия ветра – 22,4, третье место занимает энергия биомассы – 18,3 % [10].

Рис. 3.4. Доля различных ВИЭ в потреблении первичной возобновляемой энергии Около половины общего количества произведенной в странахчленах ЕС энергии используется в целях отопления. При этом вклад возобновляемых источников оценивается только в 10 %. Видно, что значение ВИЭ на рынке отопления меньше, чем на рынке электроэнергии.

На перспективу до 2020 г. доля ВИЭ в общем балансе энергопотребления должна возрасти с 8 до 20 %.

Учитывая настоящее положение развития рынка, а также сильную политическую поддержку, ожидается, что доля ВИЭ в общем энергопотреблении составит к 2020 г. 20 %.

Оценочные показатели для возобновляемой энергетики базируются на консервативном сценарии роста для различных технологий, представленном выше. Для того чтобы достичь этой цели, нужны строгие меры по энергоэффективности для стабилизации уровня потребления энергии в период с 2010 по 2020 гг. (табл. 3.1).

ЕС занимает лидирующие позиции в мире по многим направлениям использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), развитие которых происходит при сильном акценте на изучении возможности снижения зависимости стран региона от импорта энергии, особенно представленной ископаемыми видами топлива. Происходящие в Европе процессы могут быть полезны Беларуси как в плане частичного заимствования накопленного опыта по ВИЭ, так и для проведения неизбежной коррекции структуры белорусского экспорта в ЕС с целью сохранения роли европейского вектора белорусской внешней торговле.

Сценарий роста валового энергопотребления и развитие возобновляемой энергетики в период с 2000 по 2020 гг. в Европе (в млрд т н. э.) [3] Геотермальная энергетика Солнечное теплоснабжение Ветроэнергетика Ветроэнергетика в настоящее время является одной из наиболее динамично развивающихся технологий генерации электроэнергии. В отдельных местах с хорошими условиями ветра ветроэлектростанции (ВЭС) уже сейчас экономически выгодны и конкурентоспособны.

Несмотря на глобальный экономический кризис, мощность установленных в 2009 г. ветроустановок составила рекордное значение в 38 ГВт, таким образом, их суммарная мощность в мире составила 159 ГВт (рис. 3.5) [11].

Лидером рынка ветроустановок в 2009 г. стал Китай, который установил 13,8 ГВт новых мощностей, достиг 25,8 ГВт. США установили в 2009 г. около 10 ГВт, европейский лидер Германия установила 1,9 Гвт, достигнув суммарной мощности 25,8 ГВт. К другим европейским странам, активно развивающим ветроэнергетику, относятся Испания, Италия и Франция (рис. 3.6) [9].

Рис. 3.5. Динамика установленной мощности ветроустановок в мире, 1993–2010 [11] Рис. 3.6. Мощность ветроустановок в 10 ведущих странах-лидерах, 2009 [9] За 2009 г. 27 стран ЕС установили более 10 ГВт установленной мощности ветроустановок, достигнув 75 124,9 МВт, суммарная выработка электроэнергии составила около 131 ТВт·ч (в 2008 г. – 119,7 ТВт·ч).

Оценивая тенденцию развития ветроэнергетики в ЕС, европейские эксперты отмечают заметное превышение целей, определенных в «Белой книге», подготовленной Европейской Комиссией. Так, при установленном в данном документе показателе 40 ГВт фактический показатель ЕС в 2010 г. составил 84,34 ГВт (рис. 3.7) [11].

Рис. 3.7. Установленная электрическая мощность ветроустановок в странах Евросоюза по состоянию на конец 2010 г. [11] Ветрогенераторные установки выпускаются различных конструкций и типов. Они классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна – вертикально-осевой (рис. 3.8).

Каждая из указанных систем характеризуется как своими преимуществами, так и недостатками.

Большинство мощных современных ветроустановок относятся к ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Ветрогенераторы современного типа имеют трехлопастное ветроколесо, направляемое на ветер с помощью специальных двигателей, управляемых компьютерами. Высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от до 100 м и выше. Ветроколесо совершает 10–20 поворотов в минуту.

В некоторых системах присутствует подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Рис. 3.8. Ветроустановки с горизонтальной (а) и вертикальной (б) осью вращения К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:

изменяемый шаг лопаток турбины, который позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;

высокая мачта позволяет добираться до более сильных ветров.

Нужно иметь в виду, что в некоторых районах сила ветра увеличивается на 20 % и, соответственно, энергетическая выгода на 34 % при повышении на каждые 10 м;

высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха.

В системах с вертикальной осью вращения и большинстве типов воздухоплавательных ветрогенераторов часть системы работает против набегающего потока воздуха, что, отчасти, ведет к снижению эффективности.

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку могут достигать 20 % сооружения конструкции и стоимости всего оборудования;

для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высококвалифицированные сотрудники, в результате их производство осуществляется лишь в ограниченном количестве стран;

возмущения в радиосигналах и связи из-за их размеров;

необходимость установки системы направления оси на ветер.

Ось ротора генераторов ВЭУ с вертикальной осью вращения располагается вертикально, в результате необходимость направления оси на ветер отсутствует – установка использует поступающий с любого направления воздух. Особенно эффективными ветрогенераторы с вертикальной осью вращения показали себя в областях с переменным ветром.

Примерами реализации подобного рода систем являются турбины Дарье, Савониуса, «жиромельница» и др.

Достоинствами систем с вертикальной осью являются:

возможность применения конструкции меньших размеров;

отсутствие механизмов ориентации по ветру;

рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание;

невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает производить электричество при скорости ветра в 2–2,5 м/с);

позволяет строительство в местах, где невозможно возведение высоких сооружений;

во время работы производит меньше шума по сравнению с системами с горизонтальной осью.

К недостаткам систем с вертикальной осью относятся следующие:

из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной;

поскольку некоторые элементы системы находятся внизу и, соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора.

Как отмечалось выше, подключаемые к сети современные установки мощностью свыше 1 МВт обычно реализуются на основе системы с горизонтальной осью, установки небольшой мощности могут иметь, в зависимости от инженерных решений, как горизонтальную, так и вертикальную ось.

К ведущим мировым производителям ветротурбин, как следует из отчета REN21 [9], относятся Vestas (Дания) (рыночная доля по итогам 2009 г. – 13 %), GE Wind (США) (12 %), Sinovel (Китай) и Enercon (Китай) – по 9 % (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Рыночные доли 10 ведущих производителей ветротурбин, 2009 [9] Согласно информации, размещенной на сайте The Wind Power [12], – базе данных о ветроустановках, мощностью свыше 200 МВт, производителях, разработчиках ветроэнергетического оборудования – по состоянию на начало мая 2011 г. наиболее мощной из коммерчески доступных ветроустановок являлась модель E126/7500, разработанная компанией Enercon. Модель мощностью 7,5 МВт имеет высоту 135 м и диаметр ротора 127 м. Зависимость вырабатываемой мощности и коэффициента использования ветра Cp (коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящий от конструкции ветроколеса) от скорости ветра для данной ветроустановки представлена на рис. 3.10 [13].

На данном сайте также имеется информация о еще более мощной модели SeaTitan (10 МВт) от компании Windtec, предназначенной для оффшорного размещения, которая на момент подготовки издания находилась на стадии разработки [6].

Каждая ветроустановка характеризуется рядом параметров, характеризующих работу ветроустановки при различных скоростях ветра:

стартовая скорость ветра (3–4,5 м/с), при которой ветроустановка начинает вращаться;

Рис. 3.10. Зависимость вырабатываемой мощности (кривая 1) и коэффициента использования ветра Cp (кривая 2) от скорости ветра для установки E126/7500 производства Enercon [13] номинальная скорость ветра (10–13 м/с), при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается (20–25 м/с).

Так, исходя из графика зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра для ветроустановки E126/7500 стартовая скорость равна 3 м/с, номинальная – 16 м/с, максимальная – 25 м/с (рис. 3.10).

Если ветер очень слабый, его энергии недостаточно, чтобы запустить ветроустановку. При достижении стартовой скорости ветроустановка начинает производить электрический ток. При повышении скорости ветра увеличивается и мощность ветровой установки до номинальной величины. При дальнейшем повышении скорости ветра избыток мощности должен регулироваться. В современных системах используют 2 основных типа регулирования мощности:

pitch-регулирование – изменение угла атаки лопасти в соответствии со скоростью ветра;

stall-регулирование – угол атаки неизменен, но эффективность отдельных участков лопасти падает при возрастании скорости ветра.

В результате после достижения номинальной мощности ветроустановки при увеличении скорости ветра рост мощности не происходит либо изменяется незначительно [14].

При сильном штормовом ветре (свыше 25 м/с) установка автоматически отключается, иначе возникает угроза ее разрушения.

Среднегодовая скорость ветра на месте нахождения установки является решающим фактором с точки зрения экономической целесообразности установки ветроагрегата. Особое значение при этом имеет зависимость мощности ветроустановки от скорости ветра, которая оказывается пропорциональной третьей степени скорости ветра. Например, если принять мощность ветроустановки при скорости ветра 10 м/с за 100 %, то при скорости 11 м/с мощность увеличивается на 33 % (1,13 = 1,331).

Таким образом, 10 %-ное увеличение скорости ветра повышает мощность установки на треть. Это имеет практическое значение для поиска месторасположения ветроустановок.

Часто представителями комитетов по защите окружающей среды предъявляются претензии, что ветроустановка на вершине холма является большим вторжением в ландшафт и поэтому нужно выбирать места, расположенные в низине. Но эти места имеют, как правило, ограниченную скорость ветра и монтаж на них ветроустановок имел бы серьезные последствия для использования ветровой энергии.

Если на вершине в среднем в году скорость ветра 6,5 м/с, а в низине – 4,5 м/с, мощность снижается более чем на 65 %. Поэтому использование энергии ветра при таком месторасположении установок было бы неэффективным. Если бы ветряки устанавливались в низинах (скорость ветра на 30 % ниже), то потребовалось бы утроить количество установок, чтобы получить равную прибыль. Это приводит к неэффективному использованию ресурсов.

Ветровые установки комбинируются в единые энергетические системы – ветроэнергетические станции (ветропарки), состоящие из нескольких десятков установок. Мощность такой станции иногда составляет сотни мегаватт. Так, по информации украинского сайта о возобновляемой энергетике Renewable.com.ua, по состоянию на 2010 г. самой мощной ветровой электростанцией являлась Roscoe Wind Farm, Техас (США) (781,5 МВт) (рис. 3.11) [15]. Станция расположена в центральной части Техаса и занимает площадь примерно в 400 км2 и состоит из 627 ветроустановок различных производителей (Mitsubishi, General Electric, Siemens).

Среди оффшорных ветровых электростанций лидером является ветропарк Thanet Wind Farm (300 МВт), расположенный в Северном море у берегов графства Кент на юго-востоке Англии (рис. 3.12). Глубина в этом месте составляет от 20 до 25 м. Открытие ветропарка состоялось в 2010 г., стоимость проекта оценивается в 1,4 млрд долларов США. Ветропарк состоит из ста ветроустановок Vestas V90 мощностью 3 МВт каждая.

Рис. 3.11. Ветроэнергетическая станция Roscoe Wind Farm, Техас, США [15] Рис. 3.12. Ветроэнергетическая станция Thanet Wind Farm, Великобритания [15] Для обеспечения потребностей в энергии небольших объектов строят установки меньшей мощности. В случае автономной работы они комбинируются с аккумулятором, накапливающим избыток энергии и отдающим его при необходимости.

Ветроэнергетика в Республике Беларусь Для условий Республики Беларусь характерны относительно слабые континентальные ветры со средней скоростью 4–6 м/с, поэтому при выборе площадок ветроэнергетических установок требуются специальные исследования и тщательная проработка технико-экономических обоснований по их внедрению.

Ветроэнергетический потенциал Беларуси, технологически возможный для использования выпускаемыми ветроэнергетическими установками (ВЭУ) при среднегодовой скорости ветра 5,7 м/с, составляет 15,65 млрд кВт·ч [2].

Исследованиями по 244 контрольным точкам, включая 54 метеостанции и 190 контрольных пунктов, на территории Республики Беларусь ветроэнергетический потенциал Беларуси оценен в 220 млрд кВт·ч. Определен ветроэнергетический ресурс по областям и каждому району.

В настоящее время уточнены фоновые среднегодовые скорости ветра в различных регионах Республики Беларусь, проведены расчеты по определению технических ветроэнергоресурсов Беларуси на высотах 10, 40, 50 и 70 м над поверхностью земли.

Для этого территория республики была разделена на 4 ветровые зоны (менее 3,5 м/с, 3,5–4,0; 4,0–4,5; более 4,5 м/с) и 5 регионов с расположением их по высоте над уровнем моря: 100–150 м, 150–200, 200–250, 250–300, 300–350 м (рис. 3.13) [16].

Рис. 3.13. Граничные значения среднегодовых фоновых скоростей ветра за год Это позволило определить ветроэнергетический потенциал республики по рельефным показателям применительно к высоте 50 м над поверхностью земли в местах предполагаемого размещения ВЭУ.

По причине относительно небольших среднегодовых скоростей ветра в настоящее время перспективным следует считать использование автономных ветроэнергетических и ветронасосных установок малой мощности, в основном в сельскохозяйственном секторе. Должны найти применение ВЭУ в диапазоне 100–150 кВт, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации в странах со сходными с Беларусью условиями. При выборе конкретных образцов ВЭУ необходимо дополнительно учитывать ряд факторов, связанных с величиной фактического ветроэнергетического ресурса в месте непосредственного размещения ВЭУ. К таким факторам относятся абсолютная высота местности, высота возвышения площадок и их открытость, удаленность предполагаемого места размещения ВЭУ от потребителя и особенно от линий передач и т. д.

Выработка в случае строительства ВЭУ на территории регионов со среднегодовой скоростью 7,0 м/с и выше (регионы III, IV, V) составит более 20,0 млрд кВт·ч в год. Этот потенциал наиболее эффективно может быть освоен в случае подключения ВЭУ к общей сети. ВЭУ целесообразно объединять в ВЭС из расчета 5–9 и более ВЭУ на 1 км2.

Чрезвычайно важными факторами при использовании ВЭУ являются себестоимость производимой электрической энергии и окупаемость установки. Основными факторами окупаемости являются:

энергоэффективность ВЭУ в месте ее размещения, т. е. выработка электроэнергии;

надежность работы;

стоимость создания ВЭУ, включая эксплуатационные сроки окупаемости.

На четверти территории нашей страны среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с (при среднегодовой скорости ветра равной 4,3 м/с по стране). Такая скорость соответствует мировым требованиям по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветроэнергетических установок. Выборочные обследования зон внедрения этого оборудования на территории Республики Беларусь показали, что при правильном выборе места постановки ветроагрегата (на возвышениях, открытой местности, на берегах водных активов и т. п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6–7 м/с.

Наиболее эффективно использовать ветротехнику на территориях зон со скоростью ветра выше 5 м/с. К ним относятся возвышенности севера и северо-запада республики, центральная зона Минской области, Витебская возвышенность. Использование ВЭУ в указанных зонах гарантирует выработку электроэнергии в обьеме 6,5–7,5 млрд кВт·ч.

Согласно стратегии развития энергетического потенциала Республики Беларусь, на территории нашей страны выявлено 1840 площадок для размещения ветроустановок с теоретически возможным энергетическим потенциалом более 1600 МВт. Выявленные площадки – это в основном ряды холмов высотой от 20 до 80 м, где фоновая скорость ветра может достичь 5–8 м/с и на каждой из них можно разместить от 3 до 20 ВЭУ с номинальной рабочей скоростью ветра 12–15 м/с.

В 2009 г. суммарная установленная мощность ветроэнергетических установок составила 1,2 МВт с объемом замещения 0,4 тыс. т у. т.

К наиболее мощным из функционирующих в Беларуси ветроустановок относятся работающие в п. Дружный Мядельского района Минской области ветронергетические установки фирмы Nordex мощностью 250 кВт (рис. 3.14, а) (ввод в эксплуатацию – 2000 г.) и фирмы Yakobs (ввод в эксплуатацию – 2001 г.) мощностью 600 кВт (рис. 3.14, б).

Рис. 3.14. Установки фирмы Nordex (а) и фирмы Yakobs (б) К другому имеющемуся на сегодняшний день в Республике Беларусь ветроэнергетическому оборудованию относятся ветроэнергетическая станция ВЭС-200 (3 77 кВт производства ООО «Аэролла», СПК «Свитязянка 2003» Кореличского района Гродненской области, ввод в эксплуатацию – 2008 г.) и ветроэнергетическая установка ВЭУМеждународный инновационный экологический парк «Волма»

МГЭУ им. А. Д. Сахарова, производства ООО «Аэролла»). Последняя на сегодняшний день находится в стадии ремонта и модернизации и используется только в учебных или демонстрационных целях.

В 2011 г. начнет функционировать первая в Беларуси ветроэнергетическая установка мегаваттного класса. Ветроэнергетическая установка мощностью 1,5 МВт установлена в п. Грабники Новогрудского района (рис. 3.15). Проект реализован с участием китайской компании HEAG, которая поставила оборудование для ВЭУ.

Рис. 3.15. Ветроэнергетическая установка в п. Грабники Новогрудского района (СТВ) Среднегодовая выработка электроэнергии ВЭУ в Новогрудском районе составит 3,8 млн кВтч, что соответствует экономии условного топлива около 1,1–1,25 тыс. т у. т. Общая стоимость проекта оценивается в 8–9 млрд бел. рублей.

По результатам обследования площадки в районе п. Грабники в дальнейшем здесь возможно размещение ветропарка из семи–восьми ветроэнергетических установок. Суммарная ориентировочная среднегодовая выработка электроэнергии такого ветропарка составит около 25– 30 млн кВтч.

В ближайшие годы в области ветроэнергетики в Беларуси планируются к реализации следующие крупные проекты:

ветропарк в Лиозненском районе Витебской области (электрическая мощность 60 МВт);

ветропарк в Дзержинском районе Минской области (электрическая мощность 160 МВт; возведением ветропарка будет заниматься немецкая фирма Enertrag, сроки реализации проекта 2011–2014 гг.);

ветропарк в Новогрудском районе Гродненской области (электрическая мощность 25 МВт);

ветропарк в Ошмянском районе Гродненской области (электрическая мощность 15 МВт);

ветропарк в Сморгонском районе Гродненской области (электрическая мощность 15 МВт).

В целом ветропарков в 2011–2015 гг. может быть построено суммарной мощностью до 300 МВт.

Требование уменьшения минимальной стартовой скорости ветра было одной из причин разработки отечественных ВЭУ.

Как указывалось выше, в Беларуси разработкой ветроэнергетических установок занимается ООО «Аэрола». Одна из последних разработок предприятия – модульная ветроэнергетическая установка М-75 мощностью 75 кВт (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Ветроэнергетическая установка М-75 (ООО «Аэролла», Беларусь) Одним из направлений использования ветроэнергетических установок в Республике Беларусь на ближайшую перспективу будет их применение для привода насосных станций небольшой мощности и подогрева воды в сельскохозяйственном производстве. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки.

Примером установки небольшой мощности, которая находится на территории учебно-научного комплекса МГЭУ им. А. Д. Сахарова «Волма» – Центра возобновляемых источников энергии, является ветроэнергетическая установка ВЭУ-6 производства ООО «Аэролла» для автономного использования вырабатываемой электрической энергии на территории комплекса (рис. 3.17). Конструкция ВЭУ-6 позволяет получать энергию при скорости ветра уже около 2 м/с.

Рис. 3.17. Автономная лопастная ветроэнергетическая установка ВЭУ-6 [8] Там же смонтирована роторная ветроустановка фирмы «Аэрола»

ВЭУ-250, мощностью 250 кВт (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Общий вид ветроэнергетической установки роторного типа ВЭУ-250 [8] Экологические аспекты развития ветровой энергетики Безусловно, при развитии ветровой энергетики возникают определенные проблемы. Главным образом они связаны с дополнительным использованием территорий и изменением ландшафтов. Но следует отметить, что существующие обычные энергоустановки сегодня гораздо сильнее загрязняют окружающую среду. Так, например, разработка бурого угля открытым способом или строительство нефтедобывающей скважины. В то же время одна ветровая установка мощностью 1,5 МВт в течение своей эксплуатации (около 20 лет) заменяет в среднем около 80 000 т бурого угля.

Определенные вопросы связаны непосредственно с работой станции, в частности, с повышенным шумом, ультразвуком и световыми эффектами при прохождении солнечного света через вращающиеся лопасти турбины. Поэтому санитарными нормами устанавливается минимальнодопустимое расстояние до жилых селений от отдельных ветроустановок и ветропарков (в некоторых странах (Германия) – не ближе чем 800 м).

При размещении ветропарков учитываются также установившиеся пути миграции перелетных птиц.

Общая характеристика В зависимости от применяемых технических решений выделяют активное и пассивное использование солнечной энергии. Пассивное использование энергии Солнца предполагает отсутствие специальных технических устройств и достигается применением специальных элементов или архитектурных решений для эффективного использования солнечной энергии. В свою очередь, активное использование энергии Солнца предполагает использование специальных технических устройств:

фотоэлектрических модулей для преобразование солнечной энергии в электрическую (фотовольтаика);

солнечных тепловых коллекторов, использующихся для нагревания теплоносителя, либо других решений для непосредственного использования тепла.

Фотоэлектричество Наряду с ветроэнергетикой, генерация электроэнергии за счет непосредственного преобразования солнечной энергии посредством фотоэлектрических модулей (фотовольтаика) является на сегодняшний день одним из наиболее быстро развивающихся секторов ВИЭ. В то же время себестоимость получаемой электроэнергии от солнечных установок значительно превышает этот параметр для других возобновляемых источников энергии. Это затрудняет массовое использование фотоэлектрических систем и требует значительно большей государственной поддержки.

По итогам 2009 г. во всем мире было установлено около 7 ГВт установленной мощности фотоэлектрических панелей, в результате суммарная мощность достигла 21 ГВту. Суммарная мощность автономных систем в мире оценивается в 3–4 ГВту (рис. 3.19) [9].

Рис. 3.19. Развитие фотоэлектричества в мире в1995–2009 гг., Абсолютным лидером в этом секторе является Германия, которая в 2009 г. установила 3,8 ГВту – 54% мирового рынка, достигнув суммарного уровня 9,8 ГВту. Суммарные установленные мощности ведущих стран в этой области представлены на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Существующие мощности фотоэлектрических систем Анализ рынка фотоэлектрических систем показывает наличие на рынке достаточно большого количества производителей, при этом ведущая роль здесь принадлежит компаниям из США, Китая, Японии, Тайваня и Германии. Так, по данным за 2009 г., наибольшая доля на рынке принадлежала компании First Solar (США) – 10 % (рис. 3.21) [9].

Рис. 3.21. Доли на рынке 15 ведущих производителей оборудования Более 90 % фотоэлектрических станций в Германии соединены с распределительной электросетью. Масштабная реализация проектов в этой сфере началась в Германии еще в начале 2000-х гг. Так, в процессе реализации своей программы «Сто тысяч солнечных крыш» Германия установила в 2002 г. солнечные элементы мощностью в 82 МВт, что составляло на тот момент 77,5 % новых мощностей ЕС [8]. В 2010 г. суммарная мощность станций составляет уже около 10 ГВт в солнечные дни, что сравнимо с вкладом семи средних атомных станций. Таким образом, вклад солнечной энергетики в обеспеченность Германии электрической энергией составляет около 10 %.

Фотоэлектрические установки могут использоваться по-разному.

При автономной эксплуатации электрический ток, полученный от них, прямо поступает к собственнику установки. При сетевой эксплуатации установки используются в сочетании с общественной электросетью. При этом ряд солнечных модулей соединяется в единую цепь. Общая мощность станции при этом может достигать нескольких сот мегаватт.

По состоянию на 2010 г., крупнейшей фотоэлектрической станцией (80,7 МВт) является Finsterwalde Solar Park, Финстервальде (Германия) (рис. 3.22) [15].

Рис. 3.22. Солнечная станция, состоящая из ряда модулей [15] Данный проект был совместно реализован компаниями Q-Cells International и LDK Solar.

До этого самой крупной электростанцией данного типа была Olmedilla Photovoltaic Park в Испании мощностью 60 МВт.

В настоящий момент идет строительство двух крупных фотоэлектрических станций установленной мощностью 97 МВт (Sarnia PV Power Plant) в Канаде и 84,2 МВт (Montalto di Castro PV Power Plant) в Италии.

Рассмотрим принцип работы полупроводникового фотоэлемента.

Как известно, в изолированном атоме электроны находятся на энергетических уровнях, обозначаемых s, p, d и т. д. При образовании кристалла энергетические уровни смещаются вследствие взаимодействия атомов и расщепляются, образуя энергетические зоны.

В зависимости от расположения зон и их заполнения электронами все кристаллы делятся на 3 группы: диэлектрики, полупроводники и металлы.

Пусть одна из энергетических зон, заполненная полностью (валентная зона), отделена от вышестоящей (зоны проводимости) запрещенной зоной. Если величина E0 достаточно велика, то переход электрона из валентной зоны в зону проводимости невозможен и кристалл будет диэлектриком.

Если энергетическая зона заполнена не полностью или зоны перекрываются, такой кристалл будет проводником.

Если E0 2–3 эВ, то в результате теплового возбуждения или других воздействий переход электронов будет возможен – такой кристалл будет полупроводником. Носители заряда – электроны и дырки.

Существенное влияние на проводимость полупроводниковых материалов оказывает наличие примесей.

Акцепторная проводимость наблюдается в полупроводниках, легированных примесью, с валентностью меньше валентности основного атома. Так, например, атомы бора в кристалле кремния будут являться акцепторами, и такой полупроводник будет являться пулупроводником p-типа.

Напротив, донорная проводимость возникает в полупроводниках, которые легированы примесью с валентностью, большей валентности собственных атомов. Например, атомы мышьяка в кристалле кремния будут являться донорами, и такой полупроводник будет полупроводником n-типа.

При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из pв n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-nпереходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n-переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n-перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n-перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.

При освещении генерированные вблизи p-n-перехода «неосновные»

носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n-переходу, подхватываются полем p-n-перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа.

В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и pобластями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фото-ЭДС.

Конструкция простейшего солнечного элемента и его типичная вольтамперная характеристика представлены на рис. 3.23.

Существуют различные материалы для изготовления солнечных элементов, различающиеся технологией изготовления и, как следствие, коэффициентом полезного действия и стоимостью. К основным материалам, применяемым в настоящее время, относятся монокристаллический и поликристаллический кремний, а также различные тонкопленочные структуры на основе теллурида кадмия CdTe, аморфного кремния и т. д. (рис. 3.24).

Рис. 3.23. Конструкция простейшего солнечного элемента (а) и его типичная вольт-амперная характеристика (б) Рис. 3.24. Фотоэлементы, изготовленные из различных материалов:

а – монокристаллический, б – поликристаллический, в – аморфный Как видно из рис. 3.25, по состоянию на 2008 г. [Photon International, 2009] доля монокристаллического кремния составляла 38,3 %, поликристаллического – 47,7, доля прочих технологий не превышала 14 %.

Вследствие наличия фундаментальных потерь разной природы (излучение с частотой менее ширины запрещенной зоны не вызывает фотоэффект; потери от «горячих» носителей с частотой намного больше частоты запрещенной зоны) теоретический КПД солнечных элементов не превышает 30 %. На практике свои коррективы вносят и особенности различных технологий изготовления фотоэлементов (рис. 3.26).

Материалы на основе кристаллического кремния характеризуются высокой стабильностью свойств, КПД 10%; однако требуют высокого уровня потребления сырья.

Использование материалов на основе аморфного кремния (a-Si:H с одним или несколькими переходами) дает возможность производить материалы в больших количествах, большой выбор субстратов, достаточно высокий КПД (12,7 %), однако они характеризуются сомнительной стабильностью для материалов с одним переходом и низкой экономической эффективностью по сравнению с кристаллическим кремнием.

Рис. 3.25. Рыночные доли различных технологий Рис. 3.26. Фотоэлектрический Материалы на основе CdTe характеризуются высокими КПД (16,5 %) и стабильностью, однако на практике процесс создания p-nпереходов несовместим с большими объемами производства. Кроме того, Cd является токсичным материалом.

Материалы на основе CIS (CuInSe2) и CIGS (CuInxGa(1-x)Se2) обладают высоким КПД (19,2 %) и стабильностью свойств, однако производственный процесс для многокомпонентных систем очень сложен.

Материалы на основе GaAs (с одним или несколькими p-n-переходами) имеют высокий КПД ( 40 %); высокую стабильность, отличные эксплуатационные характеристики при высоких температурах; вместе с тем, они очень дорогие и применяются для специальных целей.

Основные пути для повышения эффективности преобразования энергии фотоэлектрическими ячейками включают создание новых материалов, в том числе с несколькими p-n-переходами, а также концентраторных фотоэлектрических установок.

Основным строительным блоком фотоэлектрических систем является фотоэлектрический модуль (рис. 3.27).

Если одна кремниевая фотоэлектрическая ячейка производит 0,5 В, то 36 ячеек, соединенных последовательно, дают напряжение около 18 В.

Для увеличения мощности модули можно соединять последовательно.

Все фотоэлектрические системы можно разделить на 2 типа:

автономные (островные);

соединенные с электрической сетью.

Рис. 3.27. Схема фотоэлектрической системы Помимо массива из фотоэлектрических модулей фотоэлектрические системы обычно включают в себя такие элементы, как инвертор, контроллер заряда и блок аккумуляторов (в случае автономного использования системы) (рис. 3.27).

Инвертор – устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения или без. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде (рис. 3.28).

Контроллер заряда – устройство, обеспечивающее увеличение срока службы аккумуляторов и улучшенную работу фотоэлектрической системы за счет предотвращения перегрузки или глубокой разрядки аккумуляторной батареи (рис. 3.29).

Расчет фотоэлектрических систем обычно состоит из четырех основных этапов:

определение нагрузки и потребляемой энергии;

определение значений необходимой мощности инвертора и емкости аккумуляторной батареи;

определение необходимого количества фотоэлектрических модулей, исходя из данных по приходу солнечной радиации в месте установки системы;

расчет стоимости системы.

Конкретный вид и применение фотоэлектрических систем зависят в значительной степени от энергетических особенностей страны, где применяются данные системы. Так, например, в Германии, где более 90 % фотовольтаических систем подключены к сети, в аккумуляторах, как составных элементах подобных систем, практически нет необходимости. В частных домах, где установлены фотоэлектрические модули, имеется 2 счетчика, один из которых подсчитывает отданную в сеть электроэнергию (по более высокому тарифу), другой – потребленную электроэнергию (по более низкому тарифу).

В некоторых странах Азии, менее развитых в энергетическом отношении по сравнению с Западной Европой, например, в Индии, фотоэлектрические системы используются для электрификации отдаленных деревень, если вести туда линию электропередач не представляется возможным. В этом случае фотоэлектричество используется для обеспечения работы уличных фонарей, светофоров, систем домашнего освещения, функционирования систем ирригации и т. д.

Солнечные тепловые коллекторы В 2009 г. мощность существующих солнечных нагревательных систем увеличилась на 21 %, достигнув уровня около 180 ГВт тепловой мощности. Китай установил 29 ГВтт, или около 42 млн м2. Большая часть остальной мощности приходится преимущественно на страны Евросоюза, где в 2009 г. было установлено 2,9 ГВтт (около 4 млн м2). Из стран Европейского союза наибольшего прогресса достигла Германия (1,1 ГВт т, или 1,6 млн м2) [10].

По состоянию на 2010 г. самой мощной тепловой солнечной электростанцией (354 МВт) являлась Solar Energy Generating Systems, Калифорния (США) (рис. 3.30) [15]. Проект, разработанный компанией Luz International, представляет собой систему из девяти солнечных электростанций, расположенных в пустыне Мохава в Калифорнии. Из них пять имеют мощность 30 МВт каждая, две по 80 МВт и еще две 14 МВт. При создании электростанции было использовано 936 384 параболических концентратора, которые расположены на площади 6,5 км2.

Рис. 3.30. Тепловая солнечная электростанция Solar Energy Generating Systems, Принцип работы солнечных тепловых коллекторов может быть проиллюстрирован с помощью схемы на рис. 3.31.

Попадающее на коллектор излучение нагревает находящуюся в коллекторе жидкость (например, смесь воды и антифриза). С помощью циркуляционного насоса подогретая жидкость по замкнутой системе поступает в накопитель. Через теплообменник тепло от жидкости в коллекторе передается воде.

Узел управления выравнивает температуру в коллекторе и накопителе и следит за тем, чтобы насос работал только в том случае, когда коллектор теплее накопителя.

При реализации солнечных установок используют различные виды коллекторов: коллекторы без стеклянного покрытия, плоские коллекторы, вакуумно-трубчатые коллекторы и т. д. (рис. 3.32). Они различаются эффективностью и, как следствие, стоимостью.

Рис. 3.31. Принцип солнечной установки [8] Рис. 3.32. Различные виды солнечных тепловых коллекторов [8] Самым простым и дешевым типом коллекторов является коллектор без стеклянного покрытия. Такой коллектор состоит из поглотителя черного цвета, при этом светопроницаемое покрытие, теплоизоляция и корпус отсутствуют. Подобные коллекторы часто изготавливают из синтетических материалов, они могут использоваться для подогрева воды в бассейнах в летний период.

На сегодняшний день плоский коллектор (рис. 3.33) является самым распространенным. Плоский солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны и боков корпус, внутри которого помещена тепловоспринимающая панель из металла, пластика или другого материала, окрашенная для лучшего поглощения солнечного излучения в темный цвет. За панелью располагается трубопровод, по которому прокачивается нагреваемая вода. Вода направляется в теплоизолированный бак, гидравлически соединенный с солнечным коллектором.

За день вода из бака может несколько раз проходить через коллектор, нагреваясь до расчетного уровня температуры, зависящего от соотношения между объемом бака и площадью солнечного коллектора, материала тепловоспринимающей панели, а также от климатических условий.

Задняя стенка коллектора имеет хорошую теплоизоляцию, передняя сторона – стеклянное покрытие. Стекло уменьшает потери излучения и препятствует утечке тепла в окружающую среду, как при парниковом эффекте.

Циркуляция воды в замкнутом контуре «солнечный коллектор – бак – солнечный коллектор» может осуществляться принудительно с помощью небольшого циркуляционного насоса или естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и нагретой воды. В последнем случае бак должен располагаться достаточно высоко, желательно выше верхней отметки солнечного коллектора.

Потери, происходящие в тепловых коллекторах данного типа, связаны, с одной стороны, с отражением части падающего излучения от стеклянной поверхности (оптические потери), с другой – с процессами теплового излучения и конвекции (термические потери) (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Зависимость КПД теплового коллектора от разности температур В вакуумных коллекторах (рис. 3.35) потери теплового излучения сокращаются за счет создания вакуумного пространства между стеклянным покрытием и поглотителем. В коллекторном модуле друг около друга располагаются от 6 до 30 вакуумных труб диаметром 6,5–10 см. Перенос тепла осуществляется либо за счет протекания теплоносителя через поглотитель, либо по принципу тепловой трубы (heatpipe). В этом случае трубка заполнена теплоносителем в виде спирта или водяного пара. Нагретый пар поднимается к верхнему окончанию трубки, в результате происходит конденсация и передача тепла теплоносителю.

Данное предприятие с 2000 г. разрабатывает и успешно внедряет солнечные водонагревательные системы (СВС), предназначенные для работы в системах горячего водоснабжения жилых домов, объектах соцкультбыта и промышленных объектах. За годы работы предприятием было смонтировано более 1000 м2 солнечных коллекторов, в том числе в РУП «Барановичский АП-2», совхоз «Белая Русь» (Узденский р-н), Слуцкая птицефабрика (п. Селища), санаторий «Беларусь» (г. Сочи), Ботанический сад НАН Беларуси (г. Минск) и др. [18].

Потенциал развития солнечной энергетики в Республике Беларусь По метеорологическим данным в Республике Беларусь в среднем 250 дней в году пасмурных (185 с переменной облачностью) и 30 ясных, а среднегодовое поступление солнечной энергии на земную поверхность с учетом ночей и облачности составляет 245 кал на 1 см2 в сутки, что эквивалентно 2,8 кВт·ч на 1 м2 в сутки, а с учетом коэффициента полезного действия преобразования 12 % – 0,3 кВт·ч на 1 м2 в сутки.

Анализ распределения интенсивности падающего излучения в европейском регионе (рис. 3.36) показывает, что хотя территория нашей страны и не находится в южных широтах, природные условия для развития солнечной энергетики у нас даже лучше, чем в Германии – стране, являющейся одним из мировых лидеров в солнечной энергетике.

Рис. 3.36. Распределение интенсивности суммарного падающего излучения в европейском регионе (http://re.jrc.europa.eu/pvgis) Можно привести немало примеров успешного применения фотоэлектрических модулей и солнечных тепловых коллекторов в нашей стране.

Так, еще в 1999 г. в главном корпусе МГЭУ им. А. Д. Сахарова смонтированы и успешно используются для обеспечения горячего водоснабжения плоский солнечный коллектор производства австрийской фирмы «DOMA Solartechnik», а также фотоэлектрические панели для электроснабжения аварийного освещения подвального помещения (рис. 3.37) [8].

Солнечный водонагревательный коллектор Рис. 3.37. Фотоэлектрическая установка и солнечный коллектор на крыше здания Примером успешного внедрения солнечной фотоэлектрической установки в реальных условиях является подобная установка, действующая на базе УНК «Волма» – Центра возобновляемой энергетики МГЭУ им. А. Д. Сахарова (рис. 3.38).

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о перспективности использования солнечной энергетики в качестве возобновляемого источника энергии в летнее время в условиях Центральной зоны Республики Беларусь. Размеры одного модуля составляют: длина – 1425 мм, ширина – 652 мм, толщина – 36 мм, вес – 12,2 кг.

Фотоэлектрическая система позволяет подавать электрический ток в однофазную сеть района.

По информации Департамента по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь, в 2011 г. была смонтирована и запущена в эксплуатацию первая в г. Могилеве солнечная электростанция.

Рис. 3.38. Солнечная батарея, установленная на крыше учебно-гостиничного Основу станции составили 24 фотоэлектрических модуля производства Рязанского завода металлокерамических приборов. Суммарная площадь фотопреобразователей – более 38 м2, максимальная расчетная мощность электростанции – 5,22 кВт.

Панели подключены к инвертору фирмы SMA (Германия). Параметры вырабатываемого электрического тока соответствуют параметрам электрической сети, что позволяет отдавать электроэнергию в центральную сеть либо потреблять ее для собственных нужд. В будущем планируется увеличение количества солнечных модулей на данной станции до 48, что позволит увеличить пиковую мощность электростанции до 10 кВт [19].

С учетом климатических условий Республики Беларусь основными направлениями использования энергии солнца будут гелиоводонагреватели и различные гелиоустановки для интенсификации процессов сушки и подогрева воды в сельскохозяйственном производстве и других бытовых целей.

В 2010 г. в Солигорском районе введена в эксплуатацию отечественная гелиоводонагревательная установка тепловой мощностью 160 кВт. Аналогичную установку планируется внедрить в пансионате «Озерный» Национального банка Республики Беларусь.

Энергия солнца может также использоваться для кондиционирования воздуха, а также для получения холода. При этом, как правило, используют абсорбционные холодильные установки. Такие холодильные установки используют в сельском хозяйстве во многих странах.

Одна из перспективных областей использования солнечной энергии – это гидротеплицы. В этих теплицах днем осуществляется аккумуляция солнечной энергии за счет теплопоглощающих материалов. Ночью аккумулированная теплота передается потоку воздуха, направляемому вентиляторами в теплицу. Наиболее проста конструкция гелиотеплицы, в которой грунт и основание под ним служат аккумуляторами теплоты, а солнечные коллекторы размещают на строительных конструкциях теплицы или совмещают с ними. В гелиотеплицах чаще всего используют систему воздушного отопления.

Для сушки зерна, сена, для сохранения сухофруктов, овощей и т. д.

используют коллекторы, состоящие из полиэтиленовых ребристых воздуховодов, окрашенных в черный цвет. Воздух, проходя через трубы, нагревается, а затем направляется по назначению.

В целом, энергетический потенциал использования солнечной энергии оценивается в величину до 10 тыс. т у. т.

Пассивное использование солнечной энергии Как отмечалось выше, пассивное использование солнечной энергии предполагает отсутствие специальных технических устройств и достигается применением специальных элементов или архитектурными решениями, учитывающими эффективное использование солнечной энергии (рис. 3.39).

Специальные элементы – это остекленение внешней части здания и обычная изоляция. Особое значение здесь приобретает способ изготовления и форма окон, т. к. они имеются в каждом доме. Технология в этой сфере за последние десятилетия развивалась большими шагами.

До 1970-х гг. остекление окон в 2 стекла считалось стандартом. При нанесении покрытия, которое отражает тепловое излучение в совокупности с наполнением инертным газом современные теплосберегающие стекла достигают уменьшения потерь тепла около 60 % (к = 1,2 вместо 2,8 при остеклении с изоляцией); соответствующие трехслойные остекления (к = 0,7) достигают снижения потерь до 75 %.

Но для использования солнечной энергии имеет значение не только то, что зимой мало тепловой энергии выходит через окна наружу. Точно также интересно, сколько солнечной энергии попадает через окна в дом.

Но количество попадающей солнечной энергии уменьшается с возрастающим действием изоляции окна. Во всяком случае, потери тепла (выход тепла наружу) оказываются довольно ощутимыми. При нынешнем теплосберегающем остеклении на южной стороне достигается положительный баланс энергии. Эти окна приносят в год больше тепла в дом, чем через них выходит наружу. Архитектура с использованием солнечной энергии использует это, при этом благодаря большим по площади окнам, выходящим на юг, снижается потребление энергии в домах.

При расположении окон с северной стороны из-за недостаточного солнечного излучения такое снижение не достигается, поэтому окна при строительстве с использованием солнечной энергии нужно использовать как можно меньше.

Рис. 3.39. Самое большое здание в мире, построенное по проекту пассивного использования энергии солнца (Германия) [8] Архитектура с использованием солнечной энергии – это выбор местоположения и ориентация здания, форма здания, свес крыши и обсаживание деревьями (кустарником). Пример свеса крыши над окном на южной стороне требует пояснения. Во многих зданиях солнечное излучение летом приводит к перегреву, который должен быть устранен путем энергозатратного кондиционирования воздуха. То, что это возможно без особой техники, показывает положение свеса крыши. Зимой полный солнечный свет попадает в жилой дом и обогревает его. Летом свес крыши действует как простой, но эффективный регулятор. Он заботится о том, чтобы прямые солнечные лучи не попадали в дом, и предотвращает перегрев (пример пассивного использования солнечной энергии).

В среднестатистическом семейном доме около 80 % энергии расходуется на обогрев помещений, 1 % на подогрев воды и 10 % используется при эксплуатации бытовых приборов. С помощью рациональной архитектуры можно сэкономить значительное количество энергии именно в той области, где ее больше всего потребляется. Пассивное использование солнца – это использование солнечного излучения для поддержки отопления и покрытия как можно большей части потребности в тепле.

Важными мероприятиями с точки зрения пассивного использования солнечной энергии являются следующие факторы:

ориентация строения на юг;

его максимальная теплоизоляция;

устройство «ловушек» для солнца типа зимних садов;

распределение жилых помещений на солнечной стороне;

минимизация внешних затеняющих оболочек.

Спроектированные и построенные с учетом этих принципов солнечные дома являются не только энергетически эффективными, но обеспечивают повышенный комфорт и здоровый микроклимат для жизни. При правильном проектировании дома с солнечной архитектурой могут сооружаться за те же деньги, что и обычные. Но с одним большим отличием:

эксплуатация солнечного дома обойдется владельцу во много раз дешевле.

Мировой опыт малой гидроэнергетики В 2009 г. суммарная установленная мощность гидроэлектростанций в мире, включая «большую» гидроэнергетику, составила 980 ГВт. Прирост мощностей, отмеченный в 2009 г., составил 31 ГВт, из которых 23 ГВт приходится на долю Китая (суммарная мощность – 197 ГВт). Еще одним мировым лидером является США, где на конец 2009 г. было установлено 81 ГВт, в том числе 10 ГВт малых гидроэлектростанций [9].

К малой гидроэнергетике традиционно относят установки мощностью менее 10 МВт. Малая гидроэнергетика может быть одним из наиболее экономически эффективных способов генерации электроэнергии.

Малые ГЭС имеют большой срок службы и сравнительно низкие эксплуатационные расходы.

Как только окупаются сравнительно большие капитальные вложения, малые ГЭС начинают производить электроэнергию по низкой цене, причем срок службы малых ГЭС составляет 50 лет и более.

В 2009 г. в Европе было введено в эксплуатацию 259,3 МВт новых мощностей малых ГЭС, таким образом, суммарная мощность достигла 12 742,7 МВт. За 2009 г. малыми ГЭС в странах ЕС было выработано 42,2 ТВт электроэнергии, что на 0,4 % меньше показателя 2008 г. Данное обстоятельство связано с несколько меньшим уровнем осадков в регионе в данный период. К наиболее развитым в области малой гидроэнергетики европейским странам по итогам 2009 г. относятся Италия (2588 МВт установленной мощности, годовая выработка 10 382,4 ГВтч), Франция (2082 МВт, 6344,04 ГВтч), Испания (1909,0 МВт, 3770,0 ГВтч), Германия (1590 МВт, 6344 ГВтч). Согласно прогнозам, суммарная мощность малых ГЭС в ЕС в 2010 г. должна была достигнуть 13 тыс. МВт, однако это ниже целей «Белой книги» – 14 тыс. МВт (рис. 3.40) [10].

Рис. 3.40. Развитие малой гидроэнергетики в странах Европейского союза Гидроэнергетические ресурсы Республики Беларусь Концепцией энергетической безопасности Республики Беларусь определена потенциальная мощность всех водотоков Беларуси – 850 МВт, в том числе технически доступная – 520 МВт, экономически целесообразная – 250 МВт [2].

По состоянию на 2010 г. в Республике Беларусь эксплуатировалась 41 ГЭС суммарной мощностью 16,1 МВт, что составляет около 3 % от технически доступного потенциала [20]. Дальнейшее использование гидропотенциала будет осуществляться путем сооружения новых, реконструкции и модернизации малых гидроэлектростанций.

Мощность самой крупной в стране на сегодняшний день ГЭС составляет 2,175 МВт (Осиповичская ГЭС, ввод в эксплуатацию – 1953 г.).

В соответствии с Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 17 декабря 2010 г. № 1838 в стране реализуется Государственная программы строительства в 2011–2015 гг. гидроэлектростанций.

Программа предусматривает строительство и реконструкцию 33 ГЭС суммарной мощностью 102,1 МВт, в т. ч. 20 микроГЭС суммарной мощностью 0,75 МВт, 9 малых и мини-ГЭС суммарной мощностью 2,34 МВт и 4 крупные ГЭС суммарной мощностью 99 МВт.

Суммарная годовая выработка электроэнергии вводимыми ГЭС должна составить около 463 млн кВт·ч, в т. ч.: микроГЭС – 3,8 млн. кВт·ч;

малые и мини-ГЭС – 8,7 млн кВт·ч; крупные ГЭС – 450 млн кВт·ч [20].

С учетом ежегодной выработки электроэнергии на существующих ГЭС производство электроэнергии на ГЭС республики к 2015 г. будет составлять порядка 510 млн кВт·ч. Суммарная экономия топлива при вводе в эксплуатацию новых ГЭС мощностью 102,2 МВт будет составлять 120 тыс. т у. т..

В настоящее время на объектах Вилейско-Минской водной системы эксплуатируется ряд малых ГЭС, в т. ч. две – на гидроузле Вилейского вдхр. Также малые ГЭС работают на насосной станции № 6 и на вдхр. ТЭЦ-2.

В 2010 г. была введена в эксплуатацию ГЭС на водосбросе Минской ТЭЦ-3 (Чижовское вдхр.) мощностью 320 кВт (рис. 3.41). Общая стоимость проекта составила около 5 млрд руб. Срок окупаемости проекта составляет около 10 лет. Возведением объекта занимались специалисты предприятия «Минскводстрой», проектированием – НП ООО «Малая энергетика» (Минск).

Рис. 3.41. Малая ГЭС на водосбросе Минской ТЭЦ-3 (Чижовское вдхр.):

На территории УНК «Волма» МГЭУ им. А. Д. Сахарова имеется микрогидроэлектростанция с установленной мощностью агрегата 0,4– 1,1 кВт (рис. 3.42). Микро-ГЭС является источником переменного электрического тока и состоит из гидроагретата МГА-1-0,25 производства НПО «Ранд», г. Санкт-Петербург, и подводящих устройств. Микро-ГЭС используется в учебном процессе, а вырабатываемая ею электроэнергия применяется для освещения прилегающей территории.

Рис. 3.42. Микрогидроэлектростанция. Экологический парк «Волма»

Вместе с тем, сезонный характер работы малых гидроэлектростанций в Беларуси требует наличия дублирующих источников энергии, поэтому малые ГЭС имеют преимущественно локальное значение.

Экологические проблемы развития гидроэнергетики Гидроэнергетика оказывает негативное влияние на окружающую природную среду и на условия проживания людей в зонах влияния ГЭС.

Это, прежде всего, выражается в затоплении и подтоплении земель водохранилищами ГЭС, образовании мелководий, усилении антропогенного воздействия на природу в районе строительства ГЭС. Также происходит переформирование берегов водохранилищ, изменяется качество воды, гидрологический и температурный режимы водотоков, микроклимат прилегающей территории. Взаимодействие водохранилищ ГЭС с природной средой – длительный и многообразный процесс, индивидуальный для каждого конкретного объекта гидроэнергетики. Однако для уменьшения (предотвращения) негативного их воздействия на природу основным положением рационального использования располагаемых гидроэнергоресурсов в природных условиях Беларуси, с характерным для нее равнинным рельефом территории, является проведение технической политики в гидроэнергостроительстве, направленной на минимизацию площадей затопления и подтопления. Это достигается путем соответствующего выбора створов и водоподпорных отметок гидроузлов, а также ограничения площади образующихся мелководий водохранилища и степени регулирования речного стока, чем достигается уменьшение периода водообмена и тем самым обеспечивается достаточная проточность водоема, улучшение качества воды в нем.

Геотермальная энергетика – направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счет тепловой энергии, содержащейся в недрах земли.

Геотермальная энергетика характеризуется рядом преимуществ.

Геотермальные электростанции (ГеоЭС) могут работать 24 часа в сутки и, таким образом, могут снабжать электроэнергией базовую нагрузку.

КПД генерации электроэнергии и тепла на комбинированных геотермальных станциях составляет до 97 %. Вследствие того, что цена электроэнергии, произведенной от ГеоЭС, сильно зависит от характеристик геотермального резервуара, потенциал геотермальной энергетики в Европе не так велик, как в других странах мира (например, в Азии или Южной Америке).

По данным 2009 г., геотермальные станции существовали в 19 странах мира. В последние годы проекты создания подобных станций успешно реализовывались в Индонезии, Италии, Турции и США.

За период 2004–2009 гг. суммарная мощность таких станций увеличилась на 1,8 ГВт. Наиболее быстрыми темпами подобные проекты развивались в 2009 г. в США (6 новых станций суммарной мощностью 181 МВт), Индонезии (137), Турции (47) и Италии (40 МВТ).

По состоянию на 2010 г. самой мощной геотермальной электростанцией являлся комплекс The Geysers (1517 МВт), Калифорния, США (рис. 3.43). Он состоит из 22 геотермальных электростанций, суммарной мощностью 1517 МВт. Геотермальное месторождение расположено в 116 км к северу от г. Сан-Франциско. Общая площадь территории, на которой расположены геотермальные источники, составляет 78 км2.

Энергия от этих источников позволяет обеспечить 60 % потребности в электроэнергии северного побережья Калифорнии.

К другим крупным геотермальным электростанциям отнесятся Cerro Prieto Geothermal Power Station (720 МВт) в Мексике и Hellisheii Power Station (300 МВт) в Исландии [15].

Рис. 3.43. Геотермальная станция The Geysers Power Plant, Калифорния, США [15] В 2009 г. суммарная сетевая электрическая мощность геотермальных станций в станах ЕС достигла 744,9 МВэ при полной установленной мощности 897,5 МВэ. По сравнению с 2008 г. выработка электроэнергии на геотермальных станциях несколько уменьшилась и составила 5,6 ТВтч.

Более 95 % вырабатываемой в Евросоюзе на геотермальных станциях электроэнергии приходится на одну страну – Италию. В Италии есть 2 основных района, где производится электроэнергия из геотермальных источников – Ландерелло, Травале/Радиконли и Монте-Амиата. В 2009 г.

в этой стране были введены в эксплуатацию две новые станции; общая электрическая мощность геотермальных станций здесь составила 843 МВт. Из других европейских стран, вырабатывающих электроэнергию из геотермальных источников, отметим Португалию, имеющую суммарную электрическую мощность около 25 МВт на острове Сан-Мигел (архипелаг Азорские острова, вулканического происхождения).

Европейскими лидерами по выработке тепловой энергии из геотермальных источников являются Италия (636,0 МВт), Венгрия (614,6 МВт) и Франция (345 МВт) [10].

В Беларуси, не обладающей значительными геотермальными ресурсами, наиболее благоприятные условия для развития этого направления возобновляемой энергетики приходятся на Подлясско-Брестскую впадину (Брестская область) и Припятский прогиб (Гомельская область). Существенной проблемой является высокая минерализация подземных вод.

Согласно данным, приведенным в Концепции энергетической безопасности Республики Беларусь, в настоящее время осуществляется строительство первой геотермальной установки с тепловой мощностью 1–1,5 МВт для обеспечения тепловой энергией тепличного комбината в пригороде г. Бреста.

3.5. Использование низкопотенциальных источников энергии.

По оценкам EurObserver, в 2009 г. в странах Европейского союза находилось в эксплуатации более 903 000 единиц тепловых насосов.

Вследствие рецессии рынок сократился на 9,9 % по сравнению с 2008 г.

За 2009 г. было установлено 103155 насосов, из них 29 371 пришлось на долю Германии, 27 544 – Швеции и 15 507 – Франции. По отношению к суммарному количеству установленных насосов, установленной мощности и произведенной энергии эта тройка выглядит несколько иначе: Швеция (348 231 ед., 3 134,1 МВт, 778,1 тыс. т н. э.), Германия (179 634 ед., 2 250,5 МВт; 249,9 тыс. т н. э.) и Франция (139 688 ед.; 1 536,6 МВт, 1 536,6 тыс. т н. э.) [10].

Можно выделить ряд причин, обусловивших популярность тепловых насосов:

экономичность. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт тепловой энергии, тепловому насосу нужно лишь 0,2–0,35 кВт электроэнергии;

экологическая чистота. Тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;

минимальное обслуживание. Для работы теплонасосной станции мощностью до 10 МВт требуется один оператор в смену;

короткий срок окупаемости.

Рассмотрим принцип работы теплового насоса на примере парокомпрессионного теплового насоса.

Парокомпрессионный тепловой насос (рис. 3.44) состоит из испарителя, компрессора, посредством которого происходит сжатие паров рабочей жидкости (холодильного агента), конденсатора, в котором осуществляется переход парообразного холодильного агента в жидкое состояние, и дроссельного вентиля, осуществляющего необратимое расширение жидкости с понижением давления и температуры. Таким образом, в тепловом насосе часть жидкости превращается в пар, при этом ее энтальпия остается неизменной. В испарителе поддерживаются более низкие, а в конденсаторе более высокие температуры и давление холодильного агента. Холодильный агент в конденсаторе превращается в жидкость, затем в дроссельном вентиле его давление понижается, и он частично превращается в пар. Теплота, отводимая от конденсатора, используется для нагревания теплоносителя.

Рис. 3.44. Парокомпрессионый тепловой насос Источниками энергии для теплового насоса могут быть следующие:

1. Воздух.

2. Геотермальная энергия:

горизонтальный коллектор (рис. 3.45, а);

вертикальный коллектор (рис. 3.45, б);

грунтовые воды.

3. Солнечная энергия:

поверхностные воды;

солнечный коллектор.

4. Тепловые отходы:

вентиляционные выбросы;

низкотемпературный теплоноситель.

Рис. 3.45. Схема использования теплового насоса с горизонтальным (а) и вертикальным (б) коллектором: 1 – геотермальный источник, 2 – тепловой насос, Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять, прежде всего, по циклам их работы. В соответствии с этим выделяют следующие типы тепловых насосов:

абсорбционные тепловые насосы;

тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина;

тепловые насосы, которые работают по циклу Стирлинга;

тепловые насосы, которые работают по циклу Брайтона;

термоэлектрические тепловые насосы;

тепловые насосы с использованием теплоты плавления.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: 1) открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду; 2) замкнутого цикла, в которых рабочее тело двигается по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь с помощью теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают одно- и двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением и противотоковым движением.

По назначению различают стационарные и передвижные, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта и утилизации тепла, которое сбрасывается.

По производительности: большие, средние, малые.

По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

По режиму работы: стационарные, нестационарные, беспрерывные или циклические, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.

По виду потребляемой энергии: с поводом от электродвигателя или газовой турбины или от газовой турбины, которая работает на вторичных энергоресурсах и др.

Для нужд теплообеспечения в различных отраслях республики эксплуатируется более 200 тепловых насосов суммарной электрической мощностью около 16,5 МВт.

При этом потенциал использования низкопотенциальных тепловых ВЭР на водосбросах объектов промышленности и ЖКХ, а также потенциал использования геотермальной энергии для теплообеспечения частных домов превышает 1 млн Гкал, что эквивалентно 175 тыс. т у. т.

В настоящее время производство биогаза в странах ЕС можно рассматривать в качестве самостоятельного сектора экономики. В 2009 г.

производство первичной энергии из биогаза выросло до 8,346 кт н. э.

(в том числе 2996,8 тыс. т н. э. – свалочный газ, 1008,4 тыс. т н. э. – биогаз, получаемый при переработке осадков сточных вод), что на 4,3 % превышает уровень 2008 г., а производство электроэнергии из биогаза составило 25,1674 ТВтч (на 17,5 % превышает уровень 2008 г.). В лидирующую тройку входят: Германия (4213 тыс. т н. э.), Великобритания (1723,9 тыс. т н. э.) и Франция (526,2 тыс. т н. э.) [10].

В связи с включением в состав ЕС новых членов в 2005 г. были пересмотрены значения, принятые ранее, и новым планом предусмотрено довести общее использование биомассы всеми государствами, входящими в состав ЕС к 2010 г. до 149 млн т у. т., из которых 55 предназначены для производства электроэнергии, 75 – для теплоснабжения и 19 – для использования в транспортном секторе. Воплощение в жизнь этого сценария возможно только при неукоснительном выполнении поставленных Европейской Комиссией целей по увеличению доли возобновляемых источников энергии к 2010 г. (12 % от общего потребления энергии и 21 % от потребления электроэнергии). Если темпы роста в секторе использования биомассы останутся на уровне 2005 г., то, по оценкам национальных экспертов, к 2010 г. общее потребление биомассы в странах ЕС должно составить 78,6 млн т у. т. Даже если добавить к этому значению производство энергии от других видов биологического топлива (сельскохозяйственные отходы, навоз, солома и т. п.), биогаза и сжигания бытовых отходов (мусора), то сумма составит 103,7 млн т у. т. и все равно будет меньше установленной в новом плане использования биомассы на 46,3 млн т у. т. (рис. 3.46).

Рис. 3.46. Сравнительная диаграмма использования различных видов биотоплива Производство биогаза можно рассматривать и как одно из направлений промышленной экологии, т. к. «исходным сырьем» для обогащенного метаном газа преимущественно выступают промышленные и бытовые отходы с долей, равной 95 % от общего производства биогаза в ЕС.

При этом установки, организованные на базе мусорных полигонов, обеспечивают 38 % производства биогаза, городские сточные воды – 33 и промышленные сточные воды – 24 %.

Анализ существующих тенденций в развитии этого сектора в ЕС показывает значительное отставание от ориентира «Белой книги»

в 15 млн т н. э. на 2010 г. Но в любом случае страны ЕС намерены усилить внимание к недопущению бесконтрольного образования метана в процессе утилизации отходов.

Процесс получения биогаза и биоудобрения из сырья называют ферментацией, или метановым сбраживанием. Сбраживание сырья происходит в три этапа в результате разложения органических веществ двумя основными группами микроорганизмов – кислотными и метановыми.

Биогаз является продуктом обмена веществ бактерий, который возникает, когда они разлагают органический субстрат.

На первом этапе (гидролиз) на органическое вещество воздействуют внеклеточные ферменты микроорганизмов (клетчатка, амилаза, протеаза и липаза). Аэробные бактерии с помощью ферментов преобразуют высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жир, целлюлозу) в низкомолекулярные соединения, такие как моносахарид, аминокислоты, жирные кислоты и воду.

На втором этапе кислотопродуцирующие бактерии могут осуществлять дальнейшее разложение. При этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения – главным образом жирные кислоты с короткой цепью (карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота (CH3COOH), муравьиная кислота (HCOOH), масляная кислота (С3Н7СООН), пропионовая кислота (CH3CH2COOH)), низкомолекулярные спирты, такие как этанол (C2H5OH), и газы, такие как углекислый газ (СО2), водород (H2), сероводород (H2S) и аммиак (NH3). Затем бактерии уксусной кислоты из органических кислот производят исходные вещества для образования метана, а именно: уксусную кислоту, углекислый газ и водород.

Эти органические вещества являются источником питания для метанобразующих бактерий, которые на третьем этапе превращают органические кислоты в биогаз. Уксусная кислота разлагается на метан, углекислый газ и воду (CH3COOH CH4 + CO2 + 2H2O). Кроме того, из углекислого газа СО2 и водорода H2 образуется в дальнейшем дополнительное количество метана и воды (CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O).

Эти реакции протекают одновременно, причем метанобразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие. Они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства.

Разложение органики на отдельные компоненты и преобразование в метан происходит только во влажной среде, т. к. бактерии могут перерабатывать только растворенные вещества.

Состав получаемого в результате сбраживания биосырья представлен в табл. 3.2 [21].

Условия, необходимые для переработки органических отходов внутри реактора биогазовой установки, кроме соблюдения бескислородного режима, включают:

соблюдение температурного режима;

доступность питательных веществ для бактерий;

необходимое время сбраживания и своевременная загрузка и выгрузка сырья;

соблюдение кислотно-щелочного баланса;

соблюдение соотношения содержания углерода и азота;

соблюдение пропорций твердых частиц и жидкости в сырье;

отсутствие ингибиторов процесса.

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры от 0 до 70 С. Если температура выше, они погибают, за исключением нескольких видов, которые могут жить при температуре среды до 90 С. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность.

С учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима:

психрофильный определяется температурами до 20–25 °C;

мезофильный – температурами от 25 до 40 °C;

термофильный – температурами свыше 40 °C.

Выбор температурного режима работы основывается на анализе климатических условий.

Для роста и жизнедеятельности метановых бактерий необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ.

В дополнение к углероду и водороду создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов – железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и др. Обычное органическое сырье – навоз животных – содержит достаточное количество указанных элементов.

Выход биогаза и его состав в значительной степени зависят от состава исходного сырья (см. рис. 3.47).

Навоз крупного рогатого скота (КРС) – наиболее подходящее сырье для переработки в биогазовых установках, т. к. метанопроизводящие бактерии уже содержатся в желудке КРС. Однородность навоза КРС позволяет рекомендовать его для использования в установках непрерывного сбраживания. Обычно свежий навоз смешивают с водой и выбирают из него непереваренную солому для предотвращения осадка и корки. Моча КРС значительно увеличивает количество вырабатываемого биогаза, поэтому рекомендуется строить фермы с бетонным полом и прямым гидросливом экскрементов в емкость для смешивания сырья.

Навоз свиней должен быть разбавлен водой для достижения правильной консистенции для переработки. При содержании свиней в загонах и стойлах без вымощенного покрытия можно использовать лишь навоз. Такое содержание может привести к большим количествам песка и мелких камешков в реакторе, если не оставить разбавленное сырье в емкости для смешивания для того, чтобы песок осел. Попадающие в реактор песок и земля скапливаются на дне реактора и должны периодически вычищаться. Так же, как и в случае с навозом КРС, рекомендуется строить фермы с бетонным полом и прямым сливом экскрементов в емкость для смешивания сырья.

Рис. 3.47. Выход биогаза из различных субстратов [21] Для овец и коз, содержащихся без вымощенного покрытия, ситуация является схожей с описанной для свиного навоза. Поскольку козья ферма является практически единственным местом для сбора достаточного количества навоза, и то, только при условии соломенной подстилки, сырье для биогазовой установки в основном представляет собой смесь навоза и соломы. Большинство систем, перерабатывающих такое сырье, работает в режиме порционной загрузки, при котором смесь навоза, соломы и воды загружается без предварительной подготовки и остается в реакторе на более продолжительный срок, чем чистый навоз.

Для переработки куриного помета рекомендуется клеточное содержание птиц или установка насеста над подходящей для сбора помета площадью ограниченного размера. В случае напольного содержания птиц доля песка, опилок, соломы в помете будет слишком высока. Нужно учитывать возможные проблемы и проводить чистку реактора чаще, чем при работе с другими видами сырья.

Куриный помет хорошо сочетается с навозом КРС и может перерабатываться вместе с ним. При использовании чистого птичьего помета в качестве сырья существует опасность высокой концентрации аммиака.

Выход биогаза из различных субстратов и содержание в нем метана показаны на рис. 3.47.

Беларусь – это страна с высокоразвитым аграрным сектором. Особенно велик удельный вес в нем животноводства и птицеводства. В стране насчитывается около 9000 животноводческих ферм, комплексов и птицефабрик. Ежегодно в стране образуется около 30 млн м3 животноводческих стоков и отходов растениеводства, что позволило бы получить биогаз потенциалом около 2 млн т у. т. Теплотворная способность 1 м биогаза составляет в зависимости от содержания метана от 20 до 25 МДж/м3. Кроме того, переработанные в биогазовых установках органические отходы превращаются в биомассу, которая содержит значительное количество питательных веществ и может быть использована в качестве биоудобрения и кормовых добавок. Значительным преимуществом биоудобрений перед навозом, перепревшим в естественных условиях, является то, что при сбраживании навоза в биогазовых установках погибает более 98 % яиц гельминтов, патогенных микроорганизмов. После биогазовой установки 99 % семян сорняков теряют всхожесть. Потенциально возможное получение товарного биогаза от всех источников оценивается в 160 тыс. т у. т. в год.

Примером успешного использования биогазовых технологий в Беларуси является биогазовый энергетический комплекс в РУП «Племптицезавод «Белорусский» г. Заславля (рис. 3.48).

Строительство и монтаж биогазового энергетического комплекса были произведены немецкой фирмой «Biogas NORD». Площадка для размещения биогазового комплекса расположена в восточной части территории существующей молочно-товарной фермы. Энергетический комплекс состоит из приемного резервуара, ферментационной установки (два метантенка), хранилища биогаза, хранилища сброженного субстрата, установки использования биогаза.

Рис. 3.48 Общий вид биогазовой установки в РУП «Племптицезавод «Белорусский»

Схема биогазового комплекса приведена на рис. 3.49.

Рис. 3.49. Схема биогазового энергетического комплекса Приемный резервуар представляет собой круглый железобетонный резервуар объемом 200 м3. Он предназначен для промежуточного хранения субстратов с момента их образования в результате внутрипроизводственной деятельности и до загрузки в ферментационную установку.

В резервуаре установлены мешалки, при помощи которых происходит перемешивание субстрата и тем самым предотвращается образование корки.

Ферментационная установка состоит из 2 круглых железобетонных резервуаров (метантенков), через которые материал проходит по принципу «накопление–расход». Основное брожение происходит в первом метантенке (ферментере), второй метантенк (дображиватель) предназначен, в первую очередь, для хранения. Органические субстраты в них ферментируются (сбраживаются) без доступа воздуха при температуре 38–42 °С с образованием биогаза. Внутри метантенков, по периметру, располагается настенное отопление из металлопластиковых труб, использующее горячую воду, полученную из теплоэнергоблока. Образование корки и расслоение субстрата предотвращается мешалками с погружными двигателями.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 


Похожие работы:

«ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ОБРАЗОВАНИЕ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ А.П. ХАУСТОВ, М.М. РЕДИНА НОРМИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОЦЕНКИ ПРИРОДОЕМКОСТИ ТЕРРИТОРИЙ Учебное пособие Москва 2008 Инновационная образовательная программа Российского университета дружбы народов Создание комплекса инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды, позволяющих эффективно реализовывать государственные интересы РФ через систему экспорта...»

«ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ОБРАЗОВАНИЕ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ И.И.ВАСЕНЕВ Е.Н. ПАКИНА СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОПТИМИЗАЦИИ АГРОЛАНДШАФТОВ И ОРГАНИЗАЦИИ УСТОЙЧИВЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ Учебное пособие Москва 2008 Рецензент: профессор, доктор биологических наук Макаров О.А. Инновационная образовательная программа Российского университета дружбы народов Создание комплекса инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды, позволяющих эффективно...»

«Английский язык в сфере промышленного рыболовства : учеб. пособие / сост. : Г.Р. АбдульА 13 манова, О.В. Федорова Астрахан. гос. техн. ун-т. Астрахань Изд-во ; – : АГТУ, 2010. – 152 с. ISBN 978-5-89154-363-8 Предназначено для аудиторной и самостоятельной работы студентов I–III курсов очной, заочной и дистанционной форм обучения, обучающихся по специальности 111001.65 Промышленное рыболовство. Основной целью сборника является овладение навыками чтения текстов профессиональной направленности. В...»

«Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Кафедра общей зоотехнии УТВЕРЖДЕНО протокол № 8 учебно-методической комиссии Технологического института от 20 февраля 2005г. Сельскохозяйственная радиобиология Методические указания по изучению дисциплины и задания для контрольной работы студентам - заочникам по специальности 110401 – Зоотехния; 110305 – Технология...»

«ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ОБРАЗОВАНИЕ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ Л.П. СОШЕНКО, А.Г. КУХАРСКАЯ СОВРЕМЕННАЯ ВЕТЕРИНАРНАЯ ГОМЕОПАТИЯ Учебное пособие Москва 2008 1 Инновационная образовательная программа Российского университета дружбы народов Создание комплекса инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды, позволяющих эффективно реализовывать государственные интересы РФ через систему экспорта образовательных услуг Экспертное заключение...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОУВПО СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Л.А. Черновский УЧЕНИЕ О ГИДРОСФЕРЕ Утверждено редакционно-издательским советом академии в качестве учебно-методического пособия для студентов, обучающихся по специальности 020804 Геоэкология Новосибирск СГГА 2010 УДК 556 ББК 26.22 Ч493 Рецензенты: кандидат технических наук, профессор СГГА Б.В. Селезнв кандидат биологических наук, зав. лабораторией ИПА СО РАН Н.П. Миронычева-Токарева...»

«Министерство образования Российской Федерации Ярославский государственный университет им П.Г. Демидова В.П. Семерной САНИТАРНАЯ ГИДРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие по гидробиологии Издание второе, переработанное и дополненное Ярославль 2002 1 ББК Е 082я73 С 30 УДК 574.5:001.4 Семерной В.П. Санитарная гидробиология: Учеб. пособие по гидробиологии. 2е изд., перераб. и доп. Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2002. 147 с. ISBN 5-8397-0244-7 Данное учебное пособие написано по материалам, собранным автором к...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования Мичуринский государственный аграрный университет Кафедра земледелия и мелиорации УТВЕРЖДЕНО протокол № 5 методической комиссии агрономического факультета от 24 декабря 2006 г. Методические указания по выполнению лабораторных и самостоятельных занятий по дисциплине Мелиорация на тему: Расчет размеров пруда и плотины для студентов 4 курса агрономического факультета по...»

«А.М. Ивлев, А.М. Дербенцева, В.Т. Старожилов НАУКИ О ЗЕМЛЕ Курс лекций Владивосток 2006 1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Дальневосточный государственный университет Академия экологии, морской биологии и биотехнологии Кафедра почвоведения и экологии почв Институт окружающей среды Кафедра физической географии А.М. Ивлев, А.М. Дербенцева, В.Т. Старожилов НАУКИ О ЗЕМЛЕ Учебное пособие Владивосток Издательство Дальневосточного университета...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.