Використання енергії вітрових потоків

На енергію вітру перетворюється близько 3% енергії сонячного випромінювання. Причиною виникнення вітрів є поглинання земною атмосферою сонячного випромінювання, що призводить до розширення повітря і появи конвекційних течій. В глобальному масштабі обертання Землі спричиняє появу напрямів вітру.

Сучасні вітряки, що виробляють електрику, з'явились лише в ХХ столітті. У 30-х роках у Криму була побудована найбільша вітрова електрогенеруюча установка (ВЕУ) потужністю 100 кВт, незабаром була спроектована ВЕУ потужністю 5 тис. кВт, але війна перервала цей проект. Перші дві ВЕУ сучасної конструкції потужністю 100 кВт з'явилися в Данії в період між світовими енергетичними кризами 1973 та 1979 років.

За кордоном вітрова енергетика стала одним з напрямів використання нетрадиційних джерел енергії, які розвиваються в Данії, США, Англії, Австралії, Франції, Німеччині. Там експлуатується понад 1 млн вітроустановок одиничною потужністю 5-200 кВт. Велику роботу виконує інститут по розвитку сільських районів «Лас Гавіотас» в Колумбії, який фінансується ООН та урядом Колумбії.

Енергію вітру використовують в зонах пасату та західних вітрів. Більше 80% підприємств дислоковані в районах де середньорічна швидкість вітру досяга 5-10м/с упродовж 270-320 діб/рік – Прибалтика, Азово-Чорноморська зона, Приморський край, Поволжя, Пн.Казахстан.

В районі Донбасу та Причорноморської низини запаси вітрової енергії складають 2000-2500кВт/год на 1м² площі, яка обдувається, в Поліссі та Волино-Подільському плато – 1000-1200кВт/год. В Україні будуються та діють декілька великих ВЕС: 5 станцій знаходяться в Криму. Найбільшою є Донузлавська ВЕС (53 вітрових агрегатів); до експериментальних належать Акташська, Чорноморська, Сакська, Євпаторійська. У миколаївській області вже виробляє енергію Ажжигільська ВЕС, на Львівщині – Трускавецька, на Херсонщині – Асканійська та Новоатовська. У 1999 р. введена в дію найпотужніша в Україні маріупольська ВЕС. Усі вітрові станції в україні за рік виробляють приблизно 4млн. кВт/год електроенергії, що становить 0,0025% від загального вироблення її в Україні.

Сьогодні активно використовуються «вітрові ферми» - комплекси, які складаються з 50 чи більше потужних вітрових турбін. Малогабаритні вітрові турбіни дуже вигідні, проте пагорби та дерева можуть знижувати їх ефектиність.вітровий двигун потужністю 1МВт здатний забезпечувати електроенергією 10000 мешканців.

При виборі височини для розміщення ВЕУ важливо знати:

♦ відкритість місцевості. Для запобігання гальмуванню вітрового потоку височини мають знаходитись на відстані 2-3км.

♦ височини повинні бути конусоподібної,колоноподібної форми;

♦ схили повинні бути пологими з нахилом не більше 20⁰.

Виробництвом різних видів ВЕУ займаються фірми по всьому світі: «Turbowinds» - Бельгія, «Danish Wind Technology» - Данія, «IEC Energy» - США, «Riva Calzoni» - Італія.

Класична ВЕУ складається з вітродвигуна, машинного відділення та опори. Вітродвигун перетворює енергію вітрового потоку в механічну, що потім використовується для приводу машин, або трансформується в електричну чи теплову. При роботі площина обертання лопатей повинна встановлюватись перпендикулярно напрямку вітру. Можливі 2 варіанти розміщення робочого положення: надвітряне (перед опорою) та підвітряне (за опорою).

Конструктивно ВЕУ великої потужності можуть бути моно вітродвигунами та полівітродвигунами. Традиційно ВЕУ мають 3 лопасті, але є 2-4. При збільшенні числа лопатей зроста коефіцієнт використання вітру, але зроста вартість таких установок та їх будова.

ВЕУ повинна мати дистан­ційне керування розподілом і передачею електроенергії. При проек­туванні ВЕУважливе значення має розрахунок конструкції опори, оскільки її висота може досягати 100 м.

Крім загальних та синоптичних закономірностей, багато чого в цих процесах визначається місцевими особливостями, що обумов­лені географічними чи екологічними факторами. Швидкість вітрів збільшується з висотою, а їх горизонтальна складова значно більша за вертикальну. Ця обставина с основною причиною виникнення різких поривів вітру. Сумарна кінетична енергія вітрів оцінюється величиною порядку 0,7-10²¹ Дж.

В усіх країнах є метеослужби, що займаються реєстрацією та розповсюдженням метеозведень. Робота національних метеослужб координується в Женеві всесвітньою метеорологічною організацією.Швидкість вітру класифікується за шкалою Бофорта. Швидкість вітру при стандартних метеорологічних замірах визначається осередненням за 10-хвилинний проміжок часу показань анемометра, що знаходиться на висоті 10 м.

Енергія вітрового потоку залежить від швидкості вітру і густини повітря, що визначається фізичним станом і складом повітря - температурою, тиском, вмістом у ньому вологи.

Для кожного вітродвигуна є свої межі робочих швидкостей вітру, а - слабкий вітер, колесо не обертається; б - робоча швидкість вітру, при досягненні верхньої межі якої дв игун може вийти з ладу; в - дуже сильний вітер, двигун вимикають Склавши карти розподілу ефективних швидкостей вітру, можна визначити, в яких районах найбільш вигідно встановлювати вітрові двигуни того чи іншого виду.

У січні в Україні максимум часу можливого використання енергії вітру спостерігається в приморській зоні, південному Степу і в Донбасі (600 годин на місяць), а також в Карпатах і Криму; мінімум вітрової ефективності припадає па середню течію Дніпра і північно-західну частину України (500 год).

Наприкінці 1998 року в Буенос-Айресі відбулася зустріч з проблем зміни клімату під егідою ООН. На ній представниками Європейської асоціації з вітроенергетики (EWEA), Датського форуму з енергетики та розвитку і Гринпісу був запропонований сценарій, який передбачає збільшення виробництва вітроенергії до 2017 року з досягненням цифри 844 000 МВт, що становитиме 10% світового виробництва електроенергії. Фахівці вважають, що цієї кількості вітроенергії вистачило б, щоб забезпечити енергією 500 мільйонів європейських сімей.

Використання енергії вітру потребує спорудження величезної кількості баштових установок, що можуть змінити пейзаж, викликати ускладнення для повітряного транспорту. Відмічається, то вітродвигун потужністю 0,1 МВт може викликати викривлення сигналів телебачення на відстані до 0,5 км. При використанні енергії вітру для виробництва електроенергії необхідне її акумулювання, бо цей вид енергії, як і сонячний, характеризується сезонною і добовою нерівномірністю, тобто необхідний екологічний аналіз цього боку їх застосування. Спорудження вітрових і сонячних установок в пустельних місцевостях, використання їх енергії для водозабезпечення цих місць може дати додатковий ефект в господарському освоєнні та використання цих земель.

5. Геотермальна енергія.

В ядрі нашої планети максимальна температура досягає 4000°С. Вихід тепла через тверді породи суші й океанського дна відбуваєть­ся головним чиномза рахунок теплопровідності (геотермальне теп­ло) та рідше - у вигляді конвективних потоків розплавленої магми чи гарячої воді. Однак, є райони зі збільшеними градієнтами тем­ператури, де потоки складають приблизно 10-20 Вт/м², що дозволяє реалізувати геотермальні станції (ГеоТЕС) тепловою потужністю 100 МВт/км3 та тривалістю терміну експуатації до 20 років.

Якість геотермальної енергії звичайно невелика і краще її вико­ристовувати для опалювання будівель та інших споруд чи для попе­реднього підігріву робочих тіл звичайних високотемпературних ус­тановок. Так і опалювальні системи вже діють в багатьох країнах світу. Якщо тепло з надр виходить при температурі приблизно 150°С, то є сенс говорити про перетворення його в електроенергію. Декілька важ­ливих достаньо потужних ГеоТЕС вже запущені в Італії, Новій Зе­ландії, США.

Найбільш просто використовують тепло порід за допомогою теплових насосів.

Національною Академією наук України, Міністерством енерге­тики та електрифікації Російської Федерації було розроблено техніко-економічні обгрунтування доцільності використання геотермальнаї енергії для теплозабезпечення міст Херсона, Краснодара та деяких інших.

На півострові Камчатка та Курильських островах є приблизно 70 діючих вулканів, будь-яккий з них можна вважати гігантською підземною кочегаркою. В районі 1Іетропавловська-Камчатського під Авачинською сопкою є декілька десятків км гарячої води. На цьому теплі могли б працювати 10 електростанцій потужністю в 1 мли. кВт, кожна впродовж 20 років. Спорудження Паужетської ГеоТЕС показало, що така станція високорентабельна і мало забруднює довкілля. Її потужність 11тис. кВт.

Під наглядом вчених Інституту вулканології АН Росії знаходиться вулкан Мутновський, поблизу якого планувалося спорудження ГеоТЕС потужністю 200 тис. кВт. Побудовані ГеоТЕС на Філіппінах по­тужністю більш 900 тис. кВт, в Новій Зеландії 202 тис. кВг.

Тепло дуже важко передавати на відстань понад 30 км, тому його треба використовувати поблизу місця видобування. В зонах холод­ного клімату обігрів житла та промислових будівель створює помітну потребу в теплі, якщо густота населення становить більше 300 осіб на 1 км². Така геотермальна система давно вже використовується в Ісландії та в Новій Зеландії. Інші користувачі тепла - теплиці (60 МВт/км² в одній установці для Північної Європи), ферми для роз­ведення риби, установки для сушіння харчових продуктів тощо

Масштаб використання геотермальної енергії визначають декілька факторів: капітальні витрати на спорудження свердло­вин, ціна яких зростає зі збільшенням їх глибини. Оскільки температу­ра збільшується з глибиною, а видобуток енергії збільшується зі збільшенням температури, то оптимальна глибина свердловини 5 км. Загальну кількість тепла можна збільшити за рахунок повтор­ної закачки відпрацьованої та частково охолодженої води. Це корис­ний спосіб позбутися скидних вод, які можуть бути сильно мінералі­зовані (до 15 кг/м3 солей).

Запаси геотермальних водо- і парогідросистем з темпепературою 40-200°С і мінералізацією 0,5-35 г/л у Росії в основному згруповані (до 70%) на Далекому Сході та у Західному Сибіру. Значні ресурси геотермального тепла на Камчатці, Сахаліні, Курильських остро­вах.

Район Північного Кавказу характеризується значними запаса­ми геотермального тепла, яке міститься в геотермальних високомінералізованих (більше 200 г/л) розсолах з температурою 100°С. Добу­вання цього тепла потрібно здійснювати разом із отриманням цінних хімічних сполук із розсолів (солей кальцію, магнію, літію, сполук з йодом, бромом, бором та інших). Дослідно-промисловий завод для комплексного використання геотермальних вод Дагестану з утиліза­цією тепла та вилученням цінних компонентів розробив проект на таке використання геотермальних розсолів.

До категорії гідротермальних конвективних систем відносяться підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню з землі, утворюючи гейзери, фумароли, озера багнюки тощо.

Утворення таких систем пов'язано з джерелом тепла - гаря­чою чи розплавленою скельною породою, яка розташована близь­ко до поверхні землі. Над зоною високотемпературної скельної по­роди є формація з прониклої гірської породи, яка має воду, що підіймається в гору в результаті її підігріву підстеляючою гарячою породою. Проникна порода покрита непроникною, яка створює "пастку" для води. Наявність в ній тріщин дозволяє воді чи паровій суміші підійматися на поверхню. Гідротермальні конвективні системи розташовуються по границях тектонічних плит земної кори.

Гідротермальні конвективні системи поділяються на системи з гарячою водою чи з парою. В залежності ті від температури системи можна поділи на високо­температурні (> 150°С), се- редньотемпературні (90- 150°С) та низькотемпера­турні (< 90°С).

Для виробництва електроенергії на джерелах з гарячою водою викорис­товуюсь метод, що грун­тується на використанні пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої рідини на поверхні. Цей ме­тод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (під великим тиском) по свердловинах з басейну до поверхні тиск падає і приблизно 20% рідини закипає та перетворюється на пару. Ця пара від­діляється за допомогою се­паратора від води та спрямовуєтьься до турбіни. Вода, що виходить із сепаратора, може бути ще оброблена в залежності від ії мінерального складу. Цю воду можна закачувати знов у скельну породу одразу ж чи з попереднім вилученням з неї мінералів. Прикладами таких гео­термальних джерел є Уайракей та Бродлендс в Новій Зеландії, Серро- Прієсто в Мексиці, Отаке в Японії та ін.

Рис.4Схема геотермальних вод.

Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо- чи середньотемпературних геотермальних вод є використання проце­су із застосуванням двоконтурного (бінарного) циклу. В цьому про­цесі вода, отримана з басейну, використовується для нагріву теп­лоносія другого контура (фреону чи ізобутану), котрий має меншу температуру кипіння, Пара, що утворюється в результаті кипіння цієї рідини, використовується для приводу турбіни. Відпрацьована пара конденсується і знову пропускається крізь теплообмінник, ство­рюючи замкнений цикл.

Спочатку пробурюють свердловину, що досягає області залягання гарячої породи; потім крізь неї в породу під великим тиском закачують холодну воду, що призводить до утворення в породі тріщин. Після цього через утворену зону тріщинуватої породи пробурюють іншу сверд­ловину. Наприкінці холодну воду з поверхні закачують в першу свер­дловину. Проходячи крізь гарячу породу, вона нагрівається і заби­рається крізь іншу свердловину у вигляді пари чи гарячої води, що потім можна використати для виробництва електроенергії. (рис. 4)

Геотермальні системи, де в зонах зі збільшеним значенням теп­лового потоку розташовується глибокозалягаючий осадовий басейн (Паризький чи Угорський басейни), температура води - 100°С

Переваги: геотермальну енергію отримують віл джерел тепла з великими температурами, вона має декілька особливостей: темпе­ратура теплоносія значно менша за температуру при спалюванні палива; • найкращий спосіб використання геотермальної енергії - комбінований режим (видобуток електроенергії та обігрів).

Недоліки: • незважаючи на те, що сумарні запаси геотермаль­ної енергії дуже великі, її термодинамічна якість низька; ■ необхідність використання тепла поблизу місця видобування; • вартість споруд­ження свердловин зростає зі збільшенням їх глибини.

В районах вулканізму, де гірські породи прогріті подекуди до самої поверхні, тепло проявляється у вигляді гарячих ключів, гей­зерів, парових струменів з високою температурою. У невулканіч­них районах - не глибинні термальні води. Для практичного вико­ристання води земних надр (виробництво електроенергії, комуналь­ного теплозабезпечення тощо) потрібне утворення в гірських поро­дах тріщин великої протяжності.

Виділяють 3 класи геотермальних районів:

• гіпертертермальний температурний градієнт більше 80°Скм, ці райо­ни розташовані в тектонічній зоні поблизу границь континенталь­них плит;

• напівтермальний т емпературний градієнт 4О-80°Скм, ці райони пов'язані з аномаліями, що лежать осторонь платформ; вилучен­ня тепла йде з природних водоносих пластів чи з роздрібнених сухих порід;

• нормальний температурний градієн менше 40°С/км.

Це джерело енергії характеризується різноплановим виливом на природне середовище. Так, в атмосферу надходить додаткова кількість розчинених в підземних водах сполук сірки, бору, миш'я­ку, аміаку, ртуті, на поверхню викидаються водяні пари, що ство­рює локальне підвищення вологості і супроводжується акустичним впливом. Вивід на поверхню великої кількості води порушує баланс підземних водотоків, змінює темпертурні поля підземних гори­зонтів, може призвести до забруднення та ерозії грунту. При інтен­сивному виводі на поверхню підземних вод можливе локальне обширне опускання земної поверхні - цє веде не тільки до порушення стійкості будівель, але і до зміни ландшафту, що особливо погано для низинних районів. Опускання поверхні разом із пониженням пластових тисків може підвищити сейсмічність районів інтенсивно­го використання підземного тепла. Також слід пам'ятати, що при експлуатації цього джерела енергії на поверхню виводяться значні за об'ємом кількості високомінералізованої води. При відсут-ності можливості їх зворотної закачки в пласт виникає проблема засолення грунту в зазначеному районі.

Поиск по сайту: