Структурные схемы устройств преобразования энергии первичных источников в электрическую. (Лекция 4)

По оценке Американского общества инженеров-электриков, если к 1980 году доля произ-
водимой в мире электроэнергии на основе возобновляемых источников составляла 1%, в
2003г. – 5%, то к 2020 г. она составит 13%, а в 2060г. – 33%. Российская Федерация распо-
лагает значительными возобновляемыми энергоресурсами, что иллюстрируется таблицей

Потребность расширения использования возобновляемых источников энергии и местных энергоресурсов для России актуальна в связи с тем, что порядка 20 млн человек, проживаю-щих на 70% территории станы, не имеют централизованного энергоснабжения.
Россия обладает значительными ресурсами растительной биомассы. Так отходы лесопе-реработки составляют более 53 млн м3, что почти полностью покрывает потребность в дре-весине на топливные нужды (57 млн м3). Кроме того, в городах образуются твердые бытовые отходы (более 400 кг/чел в год), 50% которых составляет органическая часть. В целом, доступные для производства энергии ресурсы растительной биомассы эквивалентны 400 млн т у.т., а по некоторым расчетам – до 1 млрд т у.т.
Немаловажным стимулом развития нетрадиционной энергетики является рост цен на 1 кВтч электроэнергии, произведенной различными способами (см. таблицу).
Наряду с устойчивой тенденцией роста капитальных вложений в традиционную энерге-тику в настоящее время наблюдается существенное снижение удельных капитальных вло-жений в нетрадиционной энергетике. Так за период с 1980 по 1998гг. удельные капиталовло-жения на тепловых электростанциях повысились с 750 долл/кВт до 1000…1100 долл/кВт, на атомных электростанциях – с 1500долл/кВт до 2200 долл/кВт. За этот же период капиталь-ные вложения в ветроустановки снизились с 4000 долл/кВт до 900 долл/кВт, стоимость фото-
электрических модулей – с 50000 долл/кВт до 4000…5000 долл/кВт.
Кроме того, следует учитывать и тот факт, что крупная тепловая электрическая станция строится 6…8 лет, гидроэлектростанция – 10…12 лет, а ветростанция мощностью 50 МВт – за 5…6 месяцев (за рубежом).

Факторы, стимулирующие использование возобновляемых источников энергии:
- обеспечение энергетической безопасности (смягчение зависимости от импорта нефти);
- экологические аспекты производства энергии (выбросы парниковых газов);
- сохранение запасов собственных энергоресурсов (для неэнергетического использования);
- расширение рынков сбыта;
- обеспечение электроснабжения удаленных районов;
- предотвращение или снижение ограничений на потребление энергии;
- развитие собственной промышленности.
Рассмотрим принцип работы и технологические особенности энергетических установок на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии.
Гелиоэнергетика.
Огромный энергетический потенциал Солнца (ежегодно на Землю попадает энергия экви-валентная 50 трлн. т у.т.) распределяется с плотностью порядка 150…250 Вт/м2. Для исполь-зования энергии применяют три основные технологии:
- гелиоустановки горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов, дающих низкотемпературное тепло. Применяются для обогрева, кондиционирования, опреснения морской воды, технологических процессов в сельском хозяйстве по переработке продуктов питания, кормов и т.д.;
- солнечные электростанции, на которых с помощью системы ориентированных на солнце отражателей (параболоидов или параболических цилиндров), в фокусе которых размещаются емкости или трубы с теплоносителем, нагреваемым до кипения, пар которого используется в паросиловом цикле, рассмотренном выше. Для получения энергии в темное время суток станция дополняется газовой тепловой электрической станцией;

- фотоэлектрические станции, где происходит прямое преобразование солнечной энергии в электрическую в батареях фотоэлементов. Наиболее перспективными направлениями на текущий момент являются коллекторные ге-лиоустановки и станции на фотоэлементах, обладающих КПД в 20…25%.
Конструкция фотоэлемента представлена на рис. 9, характеристика солнечного элемен-та – на рис. 10. Принцип действия заключается в следующем. При облучении элемента све-товым потоком генерируется постоянный ток, часть которого протекает от положительного контакта к отрицательному через p-n переход, преодолевая потенциал запрещенной зоны Еg, часть (которой обычно пренебрегают) – через шунтирующее сопротивление, часть (большая) – через нагрузку.

На рис. 10 представлены типичные вольтамперные характеристики фотоэлемента при от-сутствии и наличии освещения. Обе они идентичны по виду, но смещены друг относительно друга параллельно оси абсцисс. Величина этого смещения, называемая световым током, пропорциональна интенсивности падающего света. Оптимальной нагрузкой солнечного эле-мента при заданном освещении является такая, которая отвечает требованию максимальной
выходной мощности прибора. Последняя в свою очередь определяется максимальной пло-щадью вписанного между характеристиками прямоугольника.
Коэффициент полезного действия преобразования зависит от многих факторов (материала полупроводникового элемента, ширины запрещенной зоны, потерь на отражение светового потока и пр.), но определяется всегда по формуле
η=Рвых/Рсв ,
где Рвых – мощность потребленной электрической энергии, Рсв – мощность светового пото-
ка, которая может быть определена
где N(λ)dλ – количество фотонов; hc/λ – энергия фотона.
Кривые КПД фотоэлемента в зависимости от материала полупроводникового элемента,
его температуры в функции потенциала запрещенной зоны приведены на рис. 11.

Зависимость полезно используемой части солнечной энергии от ширины запрещенной зоны полупроводника на примере кремния показана на рис. 12, а КПД – на рис. 13.

Ветроэнергетические установки могут быть выполнены на базе ветроколеса с ло-пастями (или винта) и карусельного типа с вертикальным расположением оси враще-ния. Последние в силу тихоходности требу-ют либо установки редуктора с большим пе-редаточным числом, либо применения спе-циальных низкооборотных многополюсных генераторов.
Основные проблемы применения – со-хранение работоспособности в диапазоне скоростей ветра от 1…2 м/с до 25 м/с и вы-ше, а также шумовые нагрузки на окружаю-
щую среду. В качестве генератора в установке может применять электрическая машина пе-ременного или постоянного тока, соединяющаяся через редуктор с винтом.
При использовании машины постоянного тока возникает проблема стабилизации выход-ного напряжения при изменении скорости вращения винта. Кроме того, поскольку основными потребителями энергии являются потребители на переменном токе, то в комплект установки необходимо включать преобразователь постоянно-переменного тока.
При использовании в качестве генераторов переменного тока синхронных или асинхрон-ных машин возникает проблема стабилизации частоты питающей сети при изменении ско-рости ветра.

Применение трехфазного асинхрон-ного генератора ведомого сетью позволяет решить эту проблему. Одна ветроустановка мощностью 1 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с позволяет сэкономить 1 тыс. т у.т. в год.
На рис. 14 приведена конструк-ция трехлопастной винтовой вет-роустановки.
Гидроэнергетика.
Нетрадиционная гидроэнергетика, рассчитанная в отличие от малых и микроГЭС на большие мощности, связана с использованием энергии приливов, волн и течений. Макси-мальная высота приливов в благо-приятных по условиям местах до-стигает 10 м.
Приливные электростанции рас-полагаются в створе плотины и про-пускают через свои турбины воды приливного и отливного потоков.
Рис. 14. Конструкция ветроустановки
1- стабилизатор; 2- генератор; 3- лопасть винта; 4- мачта; 5- кабель; 6- падающая мачта; 7- растяжка

На рис. 15 приведена конструкция приливной электростанции мощностью 450 кВт. В теле плотины установлены 2 турбины, приводимые во вращение потоком воды, направляемой в водохранилище во время прилива и обратно – во время отлива. Перепад воды составляет 8 метров.
Разрабатываются также приливные электростанции поплавкового типа, в которых исполь-
зуется потенциальная энергия воды, поднимающая поплавки.
Волноприбойные электростанции строятся по поплавковому принципу, либо по поршнево-
му, при котором колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбину воздух, находящийся в этих колодца.
Моретермальные станции используют тепловую энергию океана за счет перепада темпе-ратур верхнего и глубинного слоев воды (температура воды на глубине первой сотни метров
составляет до 20оС). Принцип работы такой станции был рассмотрен ранее.
Наиболее перспективными направлениями развития гидроэнергетики считают (кроме развития гидроаккумулирующих станций – ГАЭС) малые ГЭС (мощностью до 30 МВт) и мик-роГЭС (мощностью до 0,1 МВт).
Для малых ГЭС с гидроагрегатами, работающими при малых (до 2…5 м) и больших рас-ходах воды могут найти применение наплавные микроГЭС. На рис. 15 приведена конструк-ция двухагрегатной наплавной микроГЭС мощностью 2×15 кВт на напряжение 380В часто-той 50Гц. Диаметр рабочего колеса – 1800мм, размеры платформы - 9000×6500×300 мм.
По экспертным оценкам экономический гидроэнергетический потенциал, пригодный для эксплуатации малыми и микроГЭС, составляет 35% от мирового гидроэкономического потен-циала.