Электростанции с гелиоэнергетическими установками башенного типа основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня, на вершине которой установлен котел, на котором фокусируется солнечное излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности зеркалами-гелиостатами. Гелиостаты отслеживают движение Солнца по небосводу и направляют солнечные лучи на стенки парогенератора, в котором вырабатывается пар с температурой до 550. По паропроводу пар направляется в турбину, которая приводит во вращение электрический генератор, вырабатывающий электроэнергию. Установка имеет накопитель теплоты – емкость объемом в несколько тысяч м3, заполненная щебнем, который нагревается острым паром в часы максимума интенсивности солнечного излучения и отдает теплоту после захода Солнца.
Для башенных СЭС характерны высокие капитальные затраты, главным образом из-за высокой стоимости автоматизированных зеркал-гелиостатов и большой занимаемой площадью.
СЭС, использующие параболические концентраторы (зеркала).
Параболические зеркала концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400С прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Таким образом, для СЭС подобного типа башня с баком-парогенератором не нужна. Для повышения эффективности параболические зеркала могут комплектоваться системой слежения за Солнцем или быть стационарными.
СЭС тарельчатого типа представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой) которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 С и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигатель-генераторе, соединенном с приемником.
Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
Стоимость электроэнергии, произведенной тепловыми солнечными электростанциями, зависит от множества факторов: капитальные и эксплуатационные затраты, расходы на техническое обслуживание, установленная мощность оборудования.
Ветровая энергия
Ветер является одним из наиболее распространенных и мощных источников энергии. По своей мощности, из доступных в настоящее время к рентабельному использованию источников, энергия ветра уступает только солнечной энергии.
Основной трудностью в переработке энергии ветра в электрическую энергию есть нестабильность ветра. Для того, чтобы электрический ток можно было применять в практических целях, он должен обладать постоянным напряжением. Если же напряжение тока и его частота меняются из-за непостоянства числа оборотов ветряного двигателя, то в ветряных генераторах должны быть предусмотрены специальные устройства, которые смогут регулировать число оборотов ветрогенератора. Ветрогенераторы, с помощью которых получают электрическую энергию называют еще ветроэнергетическими установками. Принцип действия ветроэнергетической установки (ВЭУ) заключается в преобразовании энергии ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию.
К основным компонентам ветроустановок независимо от вида относятся: ветроколесо (ротор), генератор, мультипликатор, башня, основание (фундамент).
Ветроколесо (ротор) преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Для соединения с электросетью частота вращения ветроколеса должна быть постоянной. В противном случае, при переменной частоте (для автономных электросистем) используется выпрямитель и инвертор. Переменная частота допустима и в том случае, когда ветроустановки используются для систем теплоснабжения, а также для водоснабжения и другой механической работы.
Мультипликатор— промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, которое повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются.
Башня— конструкция, на которой устанавливается ветроколесо, иногда ее укрепляют стальными стяжками. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни.
Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину. Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее ориентацию ветроколеса по направлению ветра.
Ветроэнергетические установки классифицируют по следующим признакам:
По ориентации оси вращения ветроколеса: вертикально-осевые и горизонтально-осевые (рис. 7)
— Ветроэлектрогенераторы с горизонтальной осью.
Основной вращающей силой у ветроколес этого типа является подъемная сила. В рабочем состоянии ветроколесо может располагаться относительно ветра перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий поток воздуха, что снижает его КПД. При горизонтальном расположении оси на лопасти действуют циклические нагрузки, возникает повышенный шум, имеют место флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может довольно быстро изменяться, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.
В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трех-лопастные ветроколеса, последние отличаются плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий генератор с ветроколесом, расположены обычно наверху опорной башни в поворотной головке. В принципе, с точки зрения эксплуатационных моментов, их удобнее размещать внизу, но возникающие сложности передачи крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.
— Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью
Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения благодаря своей геометрии при любом направлении ветра всегда находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.
Принципиальными недостатками таких установок являются:
1) большая подверженность их усталостным разрушениям из-за чаще возникающих автоколебательных процессов;
2) сильнее выраженная пульсация крутящего момента, приводящая к пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.
- По природе вращающей силы: сила сопротивления или подъемная сила. Установки, использующие силу сопротивления (драгмашины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт–машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.
- По величине геометрического заполнения ветроколеса: для большинства установок эта величина определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при относительно небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки обычно используются для работы мельниц и водяных насосов при подъеме воды из колодцев и скважин — они даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые — в качестве электрогенераторов, роторы которых должны вращаться с большой частотой. Кроме того, тихоходные (многолопастные) ВЭУ с успехом могут быть использованы для отопления, так как в этом случае можно пренебречь частотой вращения и качеством сигнала, поступающего с ветроустановки.
- По назначению ветроэнергетической установки: непосредственное выполнение механической работы или производство электроэнергии. В последнем случае ВЭУ, включающую в себя электро-генератор, нередко называют ВЭГ (ветроэлектрогенератором) или аэрогенератором.
- По наличию или отсутствию устройств стабилизации частоты вращения ветроколеса: наличие подобного устройства позволяет напрямую подключать ветроэлектрогенератор к мощной энергосистеме, однако КПД такой установки ниже.
- По наличию или отсутствию промежуточного между ветроколесом и электрогенератором преобразователя энергии, играющего роль буфера. Наличие такого буфера позволяет уменьшить последствия флуктуации1 частоты вращения ветроколеса и эффективнее использовать энергию ветра и мощность ветроколеса. Существуют также частично развязанные схемы соединения колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Нежесткое соединение совместно с инерцией ветроколеса уменьшает влияние флуктуации скорости ветра на выходные параметры электрогенератора. Это может быть достигнуто, в частности, с помощью подпружиненных шарниров, соединяющих лопасти с осью ветроколеса
Сетевые ВЭУ.
Наиболее востребованной и развитой областью применения ВЭУ является их использование для работы на энергосистему. Связано это с тем обстоятельством, что работа ВЭУ параллельно с мощной электрической сетью дает очевидные преимущества:
- при работе на мощную энергосистему можно применять ветроагрегаты с большой единичной мощностью, что существенно снижает затраты на 1 кВт установленной мощности ВЭУ;
- высота башен современных ВЭУ большой мощности достигает 100 м, что позволяет более полно использовать ветроэнергетический ресурс, так как скорость ветра увеличивается по мере удаления от земной поверхности;
- при работе на электрическую сеть можно полезно использовать всю вырабатываемую ВЭУ электроэнергию;
- существенно упрощаются системы управления ВЭУ, обеспечивающие режимы запуска, регулирования и контроля ветроагрегата.
При месторасположении ВЭУ, предназначенных для работы параллельно с сетью выбирают территории с хорошими ветроэнергетическими ресурсами для производства электроэнергии. Часто на одной территории устанавливают несколько однотипных ветроустановок, расположенных в ряд перпендикулярно господствующему направлению ветра. Это позволяет существенно упростить обслуживание и уменьшить общие капитальные затраты на проект – общие дороги для доступа к ветроагрегатам, общие подстанции, линия связи с энергосистемой, мониторинговая и контрольная система и т.п. Участок земли, отведенный под «ветроферму», обычно используется и на другие нужды, например сельскохозяйственные.
В последнее время все большее распространение получают так называемые оффшорные ВЭС или ВЭС морского базирования. Большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. И хотя капитальные затраты на строительство ВЭУ морского базирования превышают затраты на строительство наземных, производство энергии на оффшорных ВЭУ продолжает увеличиваться.
Ключевым вопросом, во многом определяющим эффективность использования крупных ВЭУ, является решение вопроса по согласованию параметров электроэнергии, вырабатываемой ветроагрегатом с электрическими параметрами сети. В настоящее время преимущественное распространение получили две разновидности систем генерирования электроэнергии ВЭУ при ее работе на энергосистему, рис.8
Обе представленные на рис.8 системы, в конечном счете, вырабатывают электрическую энергию в виде переменного напряжения постоянной частоты для возможности подачи электроэнергии в сети существующих энергосистем. Однако достигается это разными путями. Постоянство частоты выходного напряжения в одних системах обеспечивается за счет стабилизации оборотов генератора Г, а в системах с переменной частотой вращения ветротурбины ВТ это обеспечивается с помощью частотного преобразователя ПЧ.
В системах с постоянной частотой вращения ветроколеса могут применяться стандартные электрические машины, причем как синхронные, так и асинхронные. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении ВЭУ в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроагрегата, т.е. снижает его КПД.
Наиболее простая схема реализуется при использовании в ВЭУ синхронного генератора. Так как мощность энергосистемы во много раз больше мощности ВЭУ, электрическая машина будет находиться в синхронизме в широком диапазоне изменения мощности, развиваемой ветродвигателем. Недостатком синхронных машин возможность при определенных ветровых условиях переходить на работу в режим двигателя и потреблять энергию из энергосистемы, а при резких порывах ветра появляется большая вероятность выпадения ее из синхронизма. Последующая синхронизация машины и подключение ее к энергосистеме являются довольно сложным процессом.
В случае использования в составе ВЭУ асинхронной машины допускается менее точное поддержание частоты вращения ветроколеса. Однако, асинхронная машина, работающая в генераторном режиме, потребляет из сети реактивную мощность намагничивания, что снижает коэффициент мощности сети и приводит к дополнительным потерям электроэнергии.
Важным достоинством систем с переменной частотой вращения ветротурбины является их способность «настраиваться» на ветер – регулировать частоту вращения в соответствии с изменением скорости ветра таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную выработку электроэнергии.
Наибольшую перспективу практического применения в ВЭУ имеют выпрямительно-инверторные статические преобразователи частоты на базе полупроводниковых приборов.
Такие преобразователи мощностью от одного до нескольких мегаватт широко применяются на передачах постоянного тока высокого напряжения. Их крупномасштабное применение сдерживает пока высокая стоимость. Однако при расположении ВЭС большой мощности на значительном расстоянии от энергосистем именно передача электроэнергии на постоянном токе оказывается наиболее эффективной.
Из рассмотренных выше систем генерирования электроэнергии предпочтение в настоящее время отдается ВЭУ с постоянной частотой вращения, построенных на базе синхронных генераторов. Хорошо отработанная технология производства крупных синхронных машин и их надежность и экономичность при работе в составе энергосистемы делают эти факторы решающими при выборе наиболее приемлемого варианта.
Общей тенденцией развития ветроэнергетической отрасли для нужд большой энергетики является повышение единичной мощности ветроэнергетических установок.
Эта тенденция обоснована стремлением уменьшить общие затраты на выбор и подготовку строительных площадок для размещения ВЭУ, создание подъездных путей, линий электропередач, распределительных устройств, оборудования защиты и других компонентов ВЭС.
Однако практический опыт эксплуатации ВЭУ в составе крупных энергетических объединений показывает, что обеспечение необходимой устойчивости и надежности работы электрической сети, в большинстве случаев, обеспечивается традиционными для энергосистем методами.
Основная проблема при работе ВЭУ на энергосистему связана со значительным изменением вырабатываемой ею мощности при изменении скорости ветра. При этом для энергосистемы крайне важен характер этих изменений за определенные характерные периоды времени.
Кратковременные изменения скорости ветра, вызываемые порывами, влияют на мощность каждой конкретной ВЭУ, однако для нескольких установок эти изменения усредняются и не оказывают существенного влияния на режим работы электрической сети.
Более опасны долговременные изменения скорости ветра, которые могут быть вызваны различными факторами (штиль, муссон и т.п.), и будут влиять на суммарную мощность большой группы ВЭУ, расположенных на определенной территории. Значительные изменения скорости ветра в пределах нескольких секунд создают проблему устойчивой синхронной работы ВЭУ с сетью, а изменения скорости ветра в пределах минуты и более создают диспетчерские проблемы, связанные с планированием выработки электроэнергии различными электростанциями и выбором рациональной структуры генерирующих мощностей.
В связи с тем, что сетевые ВЭУ не снижают установленную мощность энергосистем, их экономическую эффективность часто оценивают только по количеству топлива, которое удается сэкономить за счет использования энергии ветра. Такой подход является сильно упрощенным. При анализе экономических показателей использования энергии ветра в энергосистемах требуется рассмотрение различных вопросов, таких как требования к надежности энергоснабжения потребителей, характер суточных и сезонных изменений нагрузки, приобретение и планирование работы различных генерирующих установок с учетом их маневренности, экологические факторы и т.д.
Часто не учитывается тот факт, что для энергосистем при сохранении одинаковой суммарной мощности ТЭС возможна экономия значительных денежных средств за счет уменьшения капитальных вложений путем закупки пиковых энергоустановок, для которых характерны относительно низкая стоимость и высокие эксплуатационные издержки, вместо более дорогих базисных энергоустановок с низкими эксплуатационными издержками. Такое изменение в структуре оборудования, связанное с закупкой ВЭУ имеет смысл в том случае, если будет установлено, что пиковые установки смогут быть использованы главным образом для обеспечения требуемого уровня системной надежности при сжигании относительной малого количества топлива. В этом варианте при предположении, что для ВЭУ принято «отсутствие гарантированной мощности», суммарная стоимость ВЭУ должна быть компенсирована некоторой комбинацией экономии топлива и капитальных вложений.
Автономные ВЭУ
Для электроснабжения небольших, рассредоточенных потребителей используются автономные ветроэлектрические установки относительно небольшой мощности.
Необходимость бесперебойного электроснабжения потребителей требует наличия в составе автономной электростанции гарантированного источника питания, способного обеспечить потребителя необходимой электрической энергии в периоды ветрового затишья и слабых ветров. В качестве такого источника в автономных ветроэлектростанциях (ВЭС) чаще всего используют аккумуляторные батареи.
Структурная электрическая схема автономной ВЭС представлена на рис.9
Так как аккумуляторная батарея работает на постоянном токе, а большинство потребителей требуется ток переменный, в составе автономной ВЭС необходимо предусмотреть устройство для преобразования постоянного тока в переменный – инвертор. Мощность инвертора и ветроагрета должны быть выбраны на максимальную мощность нагрузки, а емкость аккумуляторных батарей выбирается исходя из необходимого запаса энергии, который нужно обеспечить электростанции для покрытия электрических нагрузок в периоды простоя ветроагрегата.
Для оптимизации процессов заряда/ разряда аккумуляторных батарей в состав установки входит контроллер заряда. Необходимость применения в составе ВЭС контроллера заряда связана с тем обстоятельством, что аккумуляторные батареи очень критичны к величине зарядного тока и глубине разряда. Использование контроллера заряда позволяет существенно продлить срок службы аккумуляторов и снизить экксплуатационые затраты на обслуживание электростанции.
Использование в составе автономной ВЭС аккумуляторных батарей, контроллера заряда и инвертора повышают затраты на 1 кВт установленной мощности электростанции, однако это позволяет значительно упростить конструкцию ветроагрегата. Так как стабилизация выходных электрических параметров электростанции обеспечивается при помощи аккумуляторов и инвертора, нет необходимости в стабилизации частоты вращения ветроколеса и регулировании величины выходного напряжения электрического генератора. Современным решением конструкции генератора ветроэлектростанции малой мощности является безредукторный многополюсный синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводниковым выпрямителем выходного напряжения якорной обмотки. Ветроколесо выполняется с жестко закрепленными лопастями, и его частота вращения определяется только силой ветра и величиной нагрузки. Для защиты от буревых ветров ветродвигатель оснащен специальным механизмом, выводящим ветроколесо из-под ветра.
Невысокие массо-габаритные показатели аккумуляторов и их сравнительно небольшой срок службы ограничивают применение представленной выше схемы ВЭС мощностями до 10 кВт. Подобные ВЭС находят практическое применение в качестве источника электроснабжения отдельных домов, коттеджей, небольших ферм и т.д.
Для электроснабжения более крупных потребителей – деревень, поселков, геологических объектов и т.п. используют ветро-дизельные электростанции. В таких электростанциях дизель-генератор выполняет роль гарантированного источника электропитания, а ВЭУ, покрывая часть электрической нагрузки потребителя, обеспечивает экономию дорогостоящего дизельного топлива. Диапазон рабочих мощностей ветродизельных комплексов гораздо шире – от единиц кВт до десятков МВт.
Наибольшее распространение получили ветро-дизельные энергетические комплексы с постоянной частотой вращения дизеля.
Режим работы дизель-генератора в такой системе ничем не отличается от режима силового агрегата автономной дизельной электростанции (ДЭС) – система управления (СУ) обеспечивает стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения при изменении нагрузки за счет регулирования тока возбуждения генератора и уровня подачи топлива. Ветрогенератор подключается параллельно дизель-генератору на общие сборные шины (СШ) станции, с которых производится отпуск электроэнергии потребителю. Режим работы ветроагрегата не регулируется, стабилизация параметров вырабатываемой им электроэнергии, осуществляется с помощью выпрямителя (В) и автономного инвертора (АИ).
Энергетическая эффективность электростанции улучшается за счет уменьшения общего расхода топлива, необходимого для выработки электрической энергии, так как часть вырабатываемой дизель-генератором энергии замещается ветрогенератором. Достоинствами таких систем является очевидная простота схемных решений и возможность модификации находящихся в эксплуатации ДЭС за счет подключения к сборным шинам станций комплектных ветроустановок. Недостатком энергетической схемы комплекса является невозможность полного согласования режимов производства и потребления электрической энергии. Мощность, выдаваемая ветрогенератором в любой момент времени, определяется параметрами ветрового режима в месте установки станции, а мощность, снимаемая со сборных шин станции, определяется графиком нагрузки потребителя.
Одной из проблем дизельных электростанций, используемых в качестве основного источника электроснабжения децентрализованных потребителей, является снижение эффективности работы дизелей в режиме малых нагрузок. Такая ситуация наиболее характерна для локальных систем электроснабжения небольшой мощности, ДЭС которых построены на базе одного или двух дизель-генераторов. Для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей мощность силового агрегата выбирается по максимальной нагрузке, а нагрузка станции может изменяться в очень широких пределах, как в течение суток, так и в зависимости от сезона года. В этих условиях большую часть времени дизель-генератор вынужден работать на частичных режимах с малой нагрузкой, характеризуемых повышенным удельным расходом дизельного топлива. Повысить энергетическую эффективность ДЭС небольшой мощности можно за счет введения в электрическую схему станции аккумуляторов энергии. Одна из возможных схем гибридного энергетического комплекса с аккумулированием энергии представлена на рис.11
В режиме максимальных нагрузок станции питание потребителей осуществляется за счет энергии, вырабатываемой дизель-генератором. В это же время через выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ) ветрогенератор обеспечивает заряд аккумуляторных батарей (АБ). В режиме малых нагрузок дизель-генератор выводится из работы, и питание потребителей производится от ВЭУ, а при отсутствии ветра от аккумуляторов. Для формирования стандартного переменного напряжения в энергоустановке используется автономный инвертор (АИ). Основные технические параметры составляющих элементов энергетического комплекса должны быть согласованы с графиком нагрузки потребителя. При этом мощность дизель-генератора должна покрывать максимальную нагрузку станции, а мощность ВЭУ, емкость АБ и установленная мощность АИ должны обеспечить бесперебойное питание потребителей в режиме малых нагрузок.
Системы управления промышленных ДЭС построены таким образом, что обеспечивают стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения ( с заданной погрешностью) при изменении нагрузки на шинах станции.
Классическая система управления ДЭС по сути представляет собой независимую двухканальную систему автоматического регулирования: систему автоматического управления частотой вращения дизеля и систему автоматического управления напряжением генератора.
Дизель приводит во вращение ротор генератора. Частота напряжения на выходе генератора пропорциональна частоте вращения ротора, а значение напряжения пропорционально току возбуждения генератора. Регулятор частоты вращения определяет частоту выходного напряжения и, воздействуя на органы управления дизеля, поддерживает постоянной частоту вращения вала дизеля, обеспечивая тем самым стабилизацию частоты выходного напряжения во всех режимах работы. Регулятор напряжения путем воздействия на ток возбуждения генератора поддерживает значение выходного напряжения близким к заданному при всех допустимых нагрузках. Благодаря относительной простоте подобные установки находят широкое применение, как в России, так и за рубежом.
2. Достоинства и недостатки применения возобновляемых источников электроэнергии.
Возобновляемые источники электроэнергии принято считать практически неисчерпаемыми. Например, солнце будет светить еще много миллиардов лет, отдавая нам свою энергию.
Применение возобновляемых источников электроэнергии гораздо безопаснее для окружающей среды. Использование энергетического потенциала биомассы коммунальных стоков городов, органических отходов микробиологической, пищевой, мясо-молочной и других отраслей промышленности, отходов растениеводства, навоза сельскохозяйственных животных позволяет помимо получения энергии предотвратить загрязнение территорий, воды и воздуха продуктами распада органики и существенно снизить тепловое загрязнение. Экологический фактор в последнее время приобретает все большее значение. А опасность техногенной аварии, которая может привести к глобальным негативным последствиям для людей, при использовании возобновляемых источников энергии, выглядит маловероятной. Все это, несомненно, благоприятно скажется на здоровье населения, а также сделает жизнь людей более комфортной. А снижение уровня загрязнения воды и земли создаст дополнительные условия для развития сельского хозяйства.
Возобновляемые источники энергии нередко более доступны для потребителей, поскольку они находятся непосредственно рядом с ними. Некоторые источники энергии даже не нужно добывать и транспортировать к месту потребления, например, ветер и солнце. И необходимость создавать, а затем поддерживать инфраструктуру для передачи электроэнергии от источника до потребителя отсутствует. Таким образом, альтернативная энергетика характеризуется обычно низкими эксплуатационными расходами.
Тем самым использование различных источников электроэнергии могут внести существенный вклад в решении следующих неотложных проблем:
— обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.).
— обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т.п.
К другим важным достоинствам возобновляемых источников электроэнергии можно отнести то, что переход на их использование в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности, или увеличение их экспорта, а сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций зачастую короче, чем у традиционных. Снижение затрат на получение электроэнергию положительно повлияет на структуру себестоимости. Это свою очередь создаст предпосылки для снижения цен на производимую продукцию.
В результате развития возобновляемых источников в энергетике появятся новые рынки и рыночные сегменты. И все это, в свою очередь, неизбежно отразится на рынке образовательных услуг. Так, спрос на юристов, которые будут разрабатывать соответствующие разделы законодательства, на ученых, которые будут разрабатывать практический механизм использования возобновляемых источников энергии и на специалистов, которые будут работать с новыми технологиями, означает необходимость развития системы образования и научной базы высших и средних специальных учебных заведений и научных центров.
Новые технологии Солнечных Электро Установок (СЭУ) и Ветряных Электро Установок (ВЭУ) также имеют ряд достоинств.
Преимущества СЭУ:
— высокая надежность (до сих пор СЭУ являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания).
— низкие текущие расходы (бесплатное топливо — солнечная энергия; благодаря отсутствию движущихся частей, СЭУ не требуют особого ухода).
СЭУ являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, фермерских хозяйств и др. объектов.
— модульность (СЭУ можно довести до любого размера; владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии).
— низкие затраты на строительство (обычно СЭУ строят близко к потребителю; нет нужды тянуть ЛЭП на дальние расстояния и закупать трансформаторы и др.; меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки.
— длительный срок службы (работают до 30 лет, а в отдельных случаях и дольше).
— независимость от изменения цен на энергоносители (постоянный рост тарифов на топливо и электроэнергию, не является проблемой при
использовании СЭУ).
ВЭУ, особенно новых типов, имеют:
— небольшую материалоемкость, высокую заводскую готовность, допускают полную автоматизацию, требуют минимального отвода земли на пустырях, в степях, долинах, где ветры не способствуют.
— доступность, а значит, возможность сформировать свою собственную энергетическую базу, как отдельному предпринимателю, так и отдельному населенному пункту, группе предприятий, региону.
— ВЭУ позволяют использовать энергию ветра, как для получения электрической энергии, так и для теплоснабжения.
— ВЭУ может работать как на аккумулятор, так и в единую энергетическую сеть, а это значит, что вырабатываемую энергию можно продавать.
Также существуют и недостатки альтернативных источников энергии, рассмотрим их в отдельности по каждому виду энергии.
Недостатки источников солнечной энергии:
1) Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик (например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли). Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.
2) Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.
3) Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.
Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.
4) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990-2009 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
5) Неблагоприятные экологические воздействия: затемнение больших территорий солнечными концентратами, деградация земель, опасность в перегреве или возгорания систем, заражение продуктов токсичными веществами при использовании солнечных систем в сельском хозяйстве, создание помех телевизионной и радиосвязи.
Недостатки источников ветровой энергии:
1)Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) в рамках длительных периодов времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, особенно на больших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом.
2) Шумовые воздействия, электро-, радио и телевизионные помехи
3) отчуждение земельных площадей
4) локальные климатические изменения
5) опасность для мигрирующих птиц и насекомых
7) оффшорные ветровые турбины могут неблагоприятно воздействовать на экологию водных пространств и жизни морских животных.
Основной недостаток геотермальных источников энергии – необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключают возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Также могут изменяться уровни грунтовых вод, оседание почв, подвижки земной коры, повышение сейсмической активности.
Основными проблемами, сдерживающими развитие геотермальной энергетики, являются недостаточная изученность с точки зрения геофизики и геологии геотермальных месторождений. До сих пор не найдено строгое научное объяснение тому факту, почему теплоноситель двух соседних скважин может иметь различную температуру и давление.
Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.
Неблагоприятные воздействия гидротермальной энергетики:
— утечки в океан аммиака, фреона, хлора и т.д.
— выделение углекислового газа из воды
— изменение циркуляции вод, появление региональных и биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений
— изменение климата
Неблагоприятные воздействия приливной энергетики:
— периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории.
— строительное замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных вод
Неблагоприятные воздействия волновой энергетики:
— эрозия побережья, смена движения прибрежных песков
— значительная материалоемкость
— изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов
— загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные сбросы.