Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Такими источниками являются установки и устройства, использующие энергию ветра, солнца, биомасс, геотермальную энергию, а так­же тепловые насосы, использующие низкопотенциальное тепло, содержащееся в приземных слоях воздуха, воды, верхних слоях Земли и промышленных выбросах.

Нетрадиционная энергетика в России может эффективно ис­пользоваться для энергоснабжения потребителей, прежде всего в районах, не охваченных централизованным энергоснабжением. К этим зонам относятся обширные территории окраин России, в которых проживает около 20 млн чел., а также отдельные районы Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока и сельские районы в центральной части страны (Архангельская, Вологодская, Ки­ровская, Ярославская и некоторые другие области).

Геотермальная энергетика. Запасы геотермальной энергии пред­ставляют собой запасы термальных вод и пароводяной смеси (ПВС), которые могут быть использованы соответственно для ото­пления и сооружения геотермальных электростанций. В настоящее время в России разведано 56 месторождений и участков термаль­ных вод с подачей в сутки до 300 тыс. м³ горячей воды и девять месторождений с возможной подачей 112 тыс.т в сутки пароводя­ной смеси.

В настоящее время в мире действует около 20 геотермальных электростанций мощностью от нескольких МВт до 500 МВт каждая. Их общая мощность около 1,5 ГВт. В среднем одна буровая скважина, пробуренная на нужную глубину (от сотен метров до километра в зависимости от характера земной коры), может дать около 5 MВт, и срок ее действия составляет 10-20 лет.

Запасы пароводяной смеси, сосредоточенные в основном в Курильско-Камчатской зоне, могут обеспечить работу геотермаль­ной электростанции (ГеоТЭС) мощностью до 1000 МВт. Пер­спективные месторождения имеются также в Западной Сибири и на Дальнем Востоке.

Энергия биомассы.Биомасса – это отходы животноводства, сель­скохозяйственного, целлюлозно-бумажного и лесозаготовитель­ного производств, осадки городских сточных вод. В качестве ис­точника энергии она имеет следующие преимущества: ее исполь­зование заметно улучшает экологическую обстановку в регионе; при ее сжигании выделяется менее ОД % серы и всего от 3 до 5 % золы; сельскохозяйственное производство получает ценное орга­ническое удобрение. Экономический потенциал биомассы в Рос­сии ориентировочно оценивается в 35 млн. т у.т. в год.

Приливные волны Мирового океана несут около 3 ТВт энергии (1 ТВт = 10¹²Вт). Однако ее получение рентабельно лишь в нескольких районах планеты, где приливы особенно высоки, например, в некоторых районах Ла-Манша и Ирландского моря вдоль побережья Северной Америки и Австралии и на отдельных участках Белого и Баренцева морей.

По техническим причинам приливные станции работают лишь на 25 % своей нормативной мощности. Несколько лет действует одна из самых крупных приливных электростанций близ Ла-Ранс (Франция) проектной мощностью 240 МВт, которая при довольно небольших затратах производит 60 МВт.

Энергия ветра. Один из основных факторов, определяющих по­тенциал энергии ветра, — его среднегодовая скорость. Положитель­ный экономический эффект от работы ветроэнергоустановок следу­ет ожидать при скорости ветра более 5 м/с и использовании установ­ленной мощности в течение 2000 ч в год и более. Такая возможность наиболее характерна для побережья наших северных и восточных морей. Экономический потенциал ветроэнергоустановок в настоя­щее время оценивается приблизительно в 10 млн. т у.т. в год.

Солнечная энергия. В качестве критерия оценки солнечного по­тенциала используется средняя месячная сумма солнечной радиации и плотность солнечного излучения на 1 м² площади. Техни­ческий потенциал преобразования солнечной энергии достаточ­но велик, однако экономически оправданный потенциал оцени­вается приблизительно в 12,5 млн. т у.т. в год. Один из методов получения солнечной энергии заключается в нагреве парового котла турбины с помощью системы зеркал, собирающих солнечный свет. Солнечная электростанция мощностью 10 МВт потребует около 2000 рефлекторов площадью по 25 м² каждый. Другой путь — использование фотоэлементов, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электричество, обычно с КПД 10—15 %. Небольшие установки мощностью 250—1000 кВт существуют, однако они дороги из-за высокой стоимости фотоэлементов. При массовом производстве таких установок есть надежда сократить затраты до уровня, при котором станет осуществимой электрификация изолированных поселений с помощью фотоэлементных установок.

Низкопотенциальное тепло. Использование низкопотенциаль­ного тепла станций аэрации, незамерзающих источников, грун­та, систем оборотного водоснабжения осуществляется с помощью тепловых насосов. Целесообразными областями применения теп­ловых насосов являются районы с повышенными требованиями к охране окружающей среды (санаторно-курортные зоны), а также для тепло-, холодоснабжения общественных зданий (школы, ма­газины, плавательные бассейны и т.д.), промышленных предпри­ятий и на молочно-товарных фермах для охлаждения молока с одновременным подогревом технологической воды. Экономиче­ский потенциал этого вида нетрадиционного источника энергии оценивается приблизительно в 35 млн. т у. т. в год.

Энергетические характеристики оборудования электростанций.

Энергетические характеристики оборудования отображают за­висимость между входными, выходными параметрами и потерями. Существует три вида характеристик: абсолютные (расходные), относительные и дифференциальные.

Абсолютные (расходные) характеристики отображают зависи­мость между количеством энергии, подводимой к агрегату (пер­вичной), и получаемой от него (вторичной). Они используются для определения абсолютных значений расхода топлива и необхо­димой производственной мощности (соответствия производствен­ной мощности котла и турбины).

Относительные характеристики используют для расчета пер­вичной энергии при заданных нагрузках. К ним относятся удель­ные расходы топлива и теплоты, характеризующие экономичность работы оборудования, а также коэффициента полезного действия (КПД).

Дифференциальные характеристики применяют для определе­ния оптимальных режимов работы агрегатов.

Расходная характеристика парогенератора — это зависимость часового расхода топлива котлом от его полезной часовой тепло­вой нагрузки:

Расходные характеристики паровых котлов строятся на основе их тепловых балансов. Тепловой баланс может быть представлен в следующем виде, ГДж/ч:

где Q — полезно используемое тепло;

Здесь ∆Q₁ — потери тепла с уходящими газами; ∆Q₂ — потери от химической неполноты сгорания; ∆Q₃ — потери от механиче­ской неполноты сгорания; ∆Q₄ — потери в окружающую среду; ∆Q₅ — потери с физической теплотой шлаков.

Зависимость отдельных видов потерь от полезной нагрузки устанавливается на основе испытаний парового котла и строится в пределах от минимальной нагрузки до максимальной.

Минимальная нагрузка — это наименьшая нагрузка Q_min, с ко­торой котел может работать в течение длительного периода времени без нарушения циркуляции или процесса горения. Обычно она зависит от вида топлива и типа котла. Максимальная нагрузка — это наибольшая нагрузка Q_max, при которой котел может длительно работать без вредных последствий.

Характеристика относительных приростов расхода топлива котлом (дифференциальная характеристика) отображает изме­нение часового расхода топлива при увеличении тепловой на­грузки на 1 ГДж/ч:

Расходные характеристики паровых турбоагрегатов зависят от системы их регулирования и представляют собой выпуклые кри­вые или их сочетание.

Расходные характеристики паровых турбоагрегатов: а — дроссельное регулирование; б — сопловое или клапанное регулирование; в — обводное регулирование; I, II, III — клапаны

Использование в практических расчетах криволинейных харак­теристик весьма сложно, поэтому их заменяют прямолинейными. Обычно проводят прямую через точки характеристики, соответствующие нагрузкам 50 и 100 %.

Расходные характеристики паровых турбоагрегатов при замене криволинейных зависимостей прямолинейными: а — для одного турбоагрегата; б — для нескольких турбоагрегатов.

Согласно упрощенной (спрямленной) расходной характери­стике турбины с дроссельным и сопловым регулированием часовой расход тепла:

где q_xx — часовой расход тепла на холостой ход агрегата, ГДж/ч (имеется в виду условный, получающийся в результате спрямлен­ной характеристики часовой расход тепла на холостой ход); r _т – относи­тельный прирост расхода тепла, т. е. отношение приращения рас­хода тепла ∆Q к приращению нагрузки ∆Р или (для спрямленной характеристики) тангенс угла наклона характеристики к оси абс­цисс, ГДж/МВт∙ч); Р – текущая электрическая нагрузка турбо­агрегата, МВт.

Таким образом, при любой нагрузке турбоагрегата часовой рас­ход тепла складывается из постоянного не зависящего от нагруз­ки расхода тепла на холостой ход и нагрузочного расхода тепла, зависящего от нагрузки (возрастающего с ее увеличением и на­оборот).

Для увеличения пропуска пара через проточную часть турбин большой мощности применяется обводное регули­рование, когда пар в обвод пер­вых ступеней пропускается не­посредственно в одну из про­межуточных ступеней. В этом случае расходная характеристи­ка представляет собой сочета­ние двух выпуклых кривых, из которых последняя имеет боль­ший угол наклона.

В зоне действия клапана I:

а клапанов I и II:

где Qкр — расход тепла, соот­ветствующий критической на­грузке; Р_кр — критическая, или экономическая, нагрузка турби­ны, т.е. нагрузка при которой удельный расход тепла являет­ся наименьшим, МВт; r _т1, r _т2 – относительные приросты расхода теплоты турбоагрегата в зоне до критической нагрузки и перегрузочной зоне, ГДж/МВт∙ч.

При обводном регулировании часовой расход тепла на турбину:

Часовой расход тепла при нагрузке, превышающей критиче­скую, состоит: из расхода тепла на холостой ход q_xx; расхода теп­ла на выработку электроэнергии, если вся она получается по ха­рактеристике, не имеющей излома, с относительным приростом г.,; дополнительного расхода тепла из-за выработки части элек­троэнергии при нагрузке, превышающей экономическую, т.е. в зоне нагрузки с большим относительным приростом (r_т2 >r_т1). Ко­эффициенты характеристики q_xx, r _тl и r _{т 2} являются величинами постоянными для данных типов мощности и состояния агрегата. Они либо известны по данным завода-изготовителя, либо опре­деляются проведением соответствующих испытаний.

Показателем, характеризующим экономичность турбины, яв­ляется удельный расход тепла, ГДж/(МВт-ч):

Эта формула состоит из трех частей: гиперболической умень­шающейся, постоянной и гиперболической увеличивающейся. Коэффициент полезного действия:

В зоне нагрузок до Р_кр удельный расход тепла снижается за счет уменьшения доли расхода пара на холостой ход (q_min = q_кр), затем увеличивается за счет пе­регрузочного расхода тепла.

Так как в точке Р = Р_кр удельный расход топлива ми­нимальный, а КПД соответ­ственно достигает максималь­ного значения, то эта точка на­зывается экономичной нагрузкой турбоагрегата.