Возобновляемые источники энергии


            Учебники ^ГTУ



Серия основана в 2001 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НПу»

        д-р техн, наук, проф. (председатель) Н.В. Пустовой д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) Г.И. Расторгуев

        д-р техн. наук, проф. АЛ. Батаев
        д-р техн. наук, проф. АТ. Вострецов
        д-р техн. наук, проф. В.И. Гужов
        д-р техн. наук, проф. ВЛ. Гридчин
        д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
        д-р физ.-мат. наук, проф. ВТ. Дубровский
        д-р экон. наук, проф. К.Т. Джурабаев
        д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
        д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
        д-р техн. наук, проф. В.Н. Максименко
        д-р техн. наук, проф. ХМ. Рахимянов
        д-р техн. наук, проф. ЮТ. Соловейчик
        д-р техн. наук, проф. АЛ. Спектор
        д-р экон. наук, проф. В .А. Титова
        д-р юр. наук, доц. ВД. Толстых
        д-р техн. наук, проф. АТ. Фишов
        д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко
        д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров

С. Н. УДАЛОВ



        ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140400 - «Электроэнергетика и электротехника», модуль «Электроэнергетика»

3-е издание, переработанное и дополненное







НОВОСИБИРСК

2014

УДК 620.9(075.8) У 281





Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. академик РАН В.Е. Накоряков, д-р техн. наук, проф. НГАВТ Ю.В. Дёмин, д-р физ.-мат. наук, проф. С.М. Коробейников, ген. директор ЗАО НПФ «Дата Крат» М.В. Матюхин, техн. директор ООО «СибЭкоДомСтрой» В.В. Малых


Работа подготовлена на кафедре систем электроснабжения предприятий





    Удалов С.Н.
У 281    Возобновляемые источники энергии : учеб. пособие / С.Н. Удалов. -
     3-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. - 459 с. + цв. вкл. -(Серия «Учебники НГТУ»).

           ISBN 978-5-7782-2467-4

           В настоящее время возобновляемая энергетика является наиболее быстро развивающимся направлением в энергетике. Рассмотренные в работе возобновляемые источники энергии и способы их преобразования в другие виды энергии, удобные для потребления, существенно расширят знания студентов в передовых направлениях электроэнергетики.
           Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» и «Электроснабжение».



УДК 620.9(075.8)




ISBN 978-5-7782-2467-4

                   © Удалов С.Н., 2007, 2009, 2013, 2014
                   © Новосибирский государственный

технический университет, 2007, 2009, 2013, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие................................................................9
Введение...................................................................12

Глава 1. Возобновляемые ресурсы земли................................17

17
22
30
36
43
43
46
48
49

   1.1. Классификация и характеристика ВИЭ.................................
   1.2. Гидроэнергия.......................................................
   1.3. Энергия ветра......................................................
   1.4. Геотермальная энергия..............................................
   1.5. Солнечная энергия..................................................
      1.5.1. Спектр солнечного излучения...................................
      1.5.2. Процессы в атмосфере при прохождении солнечного излучения.....
      1.5.3. Способы преобразования солнечной энергии......................
   1.6. Возобновляемые энергоресурсы России................................

Глава 2. Ветроэнергетика...................................................59

   2.1. Классификация ветроустановок......................................
   2.2. Параметры ветрового потока........................................
      2.2.1. Измерительные комплексы параметров ветропотока...............
      2.2.2. Распределение скоростей ветра................................
      2.2.3. Распределение энергии........................................
      2.2.4. Зависимость средней скорости ветра от высоты.................
   2.3. Основы теории ветроэнергетических установок.......................
      2.3.1. Теория идеального ветроколеса в рамках линейной теории.......
      2.3.2. Теория реального ветроколеса.................................
           2.3.2.1. Работа элементарных лопастей ветроколеса. Первое уравнение связи.........................................................
           2.3.2.2. Второе уравнение связи................................
           2.3.2.3. Момент и мощность ветроколеса.........................
           2.3.2.4. Потери, возникающие при взаимодействии ветроколеса с воздушным потоком................................................
   2.4. Режимы работы ветроэнергетических установок.......................
      2.4.1. Режимы работы ветроколеса....................................
      2.4.2. Использование ветроколесом энергии ветра.....................

.. 68 ..73 ..75 ..77 .. 86 ..88 ..90 ..90 104

104
109
114

1116 ..120 ..120 ..124

[п]

     2.4.3. Режимы работы ветроколеса и генератора ВЭУ.................
           2.4.3.1, Основные конфигурации компоновок ВЭУ...............
           2.4.3.2. Режимы работы ветротурбины.........................
     2.4.4. Согласование режима работы ВЭУ с электрической нагрузкой...
     2.4.5. Контроль и управление ВЭУ..................................
     2.4.3. Современные стратегии управления ВЭУ.......................
           2.4.3.1. Стандартное управление в зоне 2....................
           2.4.3.1. Адаптивное управление в зоне 2.....................
           2.4.5.3. Нечеткое управление в зоне 2.......................
   2.5. Конструкции ветроэнергетических установок......................
     2.5.1. Требования к конструкциям ВЭУ..............................
     2.5.2. Генераторы для ВЭУ.........................................
           2.5.2.1. Асинхронные генераторы.............................
           2.5.2.2. Синхронные генераторы..............................
     2.5.3. Конструктивная компоновка гондолы ВЭУ......................
           2.5.3.1. Базовая компоновка гондолы ВЭУ.....................
           2.5.3.2. Упрощенная базовая конструкция ВЭУ.................
           2.5.3.3. Простейшая конструкция на базе генератора с постоянными магнитами..................................................

127
127
132
147
150
156
159
161
164
173
173
174
178
188
191
192
198

199

           2.5.3.4. ВЭУ с прямым приводом....................................204
           2.5.3.5. Мультигенераторная компоновка гондолы ВЭУ на базе синхронного генератора с постоянными магнитами.......................207
           2.5.3.6. Мультигенераторная компоновка гондолы ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором....................210
   2.6. Классификация ветроэнергетических систем.............................212
   2.7. Оффшорная ветроэнергетика............................................220
   2.8. Выбор мощности и количества ВЭУ......................................225
      2.8.1. Ветроэнергетический расчет......................................225
      2.8.2. Выбор мощности ВЭУ в составе автономной системы.................228
      2.8.3. Рекомендации при проектировании ВЭУ.............................230
   2.9. Перспективы использования ВЭУ........................................235

Глава 3. Энергия океана.............................................239

   3.1. Энергия волн......................................................239
     3.1.1. Волновое движение............................................240
     3.1.2. Энергия и мощность волны.....................................244
     3.1.3. Описание реальных волн.......................................249
     3.1.4. устройства для преобразования энергии волн...................252
   3.2. Тепловая энергия океана...........................................256

6

о

     3.2.1. Преобразование тепловой энергии океана.........................
     3.2.2. ОТЕС, работающая по открытому циклу............................
     3.2.3. Использование перепада температур океан - атмосфера............
     3.2.3. Прямое преобразование тепловой энергии океана в электроэнергию.
Глава 4. Нагревание жидкости солнечным излучением..........................
   4.1. Теплоперенос.......................................................
     4.1.1. Метод тепловой цепи............................................
     4.1.2. Теплопроводность...............................................
     4.1.3. Конвективный теплообмен........................................
     4.1.4. Радиационный теплоперенос......................................
     4.1.5. Свойства прозрачных веществ....................................
     4.1.6. Теплоперенос посредством теплоносителя.........................
     4.1.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь.....................
   4.2. Расчет теплового баланса плоского приемника........................
   4.3. Открытые нагреватели...............................................
   4.4. Закрытые нагреватели...............................................
     4.4.1. Закрытые черные нагреватели....................................
     4.4.2. Металлические проточные нагреватели............................
     4.4.3. Солнечные коллекторы с тепловыми трубами.......................
     4.4.4. Эффективность плоского пластинчатого приемника.................
   4.5. Системы с изолированным накопителем................................
     4.5.1. Принудительная циркуляция......................................
     4.5.2. Тепловая циркуляция............................................
   4.6. Селективные поверхности............................................
     4.6.1. Идеальные селективные поверхности..............................
     4.6.2. Структура металл - полупроводник...............................
     4.6.3. Вакуумированные приемники......................................
   4.7. Расчет теплотехнических характеристик солнечной водонагревательной установки...........................................................
Глава 5. Прикладные задачи применения солнечной энергии....................
   5.1. Подогреватели воздуха..............................................
   5.2. Сушка продукции с использованием солнечного излучения..............
   5.3. Солнечные отопительные системы.....................................
   5.4. Охлаждение воздуха.................................................
   5.5. Опреснение воды....................................................
   5.6. Солнечные пруды....................................................
   5.7. Концентраторы солнечной энергии....................................

256
259
260
262

265

266
266
269
271
276
285
286
288
290
292
296
296
301
304
305
307
307
308
311
311
311
314

317

325

325
329
333
355
357
362

363

7

[п]

Глава 6. Солнечные электростанции....................................
   6.1. Электростанции на рассредоточенных коллекторах................
   6.2. Солнечные электростанции башенного тина.......................
   6.3. Фотоэлектрические преобразователи.............................
     6.3.1. Эквивалентная электрическая схема замещения...............
     6.3.2. Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания........
     6.3.3. Вольт-амперная и энергетическая характеристики солнечного модуля
     6.3.4. Электрическое исполнение солнечных панелей................
     6.3.5. Определение пика мощности, генерируемого солнечной панелью.
     6.3.6. КПД солнечного элемента. Компоненты фотоэлектрической системы.
   6.4. Солнечные электростанции на базе двигателя Стирлинга..........
   6.5. Электростанция «солнечная башня»..............................
Глава 7. Аккумулирование энергии.....................................
   7.1. Электрохимическая батарея....................................
   7.2. Эквивалентная схема замещения.................................
   7.3. Эксплуатационные характеристики батареи.......................
   7.4. Конструкция батареи..........................................
   7.5. Зарядка батареи..............................................
   7.6. Наноаккумулятор на основе водородного топлива.................
   7.7. Маховое колесо...............................................
     7.7.1. Основные соотношения......................................
     7.7.2. Компоненты системы махового колеса........................
   7.8. Сжатый воздух................................................
   7.9. Катушка индуктивности со свойствами сверхпроводимости.........
Заключение............................................................

369

369
378
393
396
398
398
400
409
410
416
424

431

432
433
435
440
441
444
446
446
448
449
450

453

Библиографический список

454

Предисловие

    Сегодня возобновляемая энергетика является наиболее быстро развивающимся направлением в энергетике. Возобновляемая энергетика - это область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Широкое использование этих источников энергии соответствует высшим приоритетам и задачам энергетической безопасности любой страны.
    В течение последнего десятилетия ряд исследовательских и демонстрационных программ имел целью стимулирование новых технологий возобновляемой энергетики, чтобы сделать их более конкурентоспособными. В соответствии с целями этих программ были поддержаны меры, направленные на снижение эксплуатационных расходов, увеличение эффективности проектов ВИЭ и демонстрацию долгосрочных выгод возобновляемой энергетики. Финансирование исследований и специальных программ развития ВИЭ необходимо обеспечить и на государственном уровне. Своевременная целевая поддержка технологических достижений является важным условием успеха. Сегодня необходимо продолжать финансирование научных исследований и демонстрационных разработок в области ВИЭ. Программы, действующие на европейском уровне, будут взаимодействовать с национальными исследовательскими программами, обеспечивая поддержку и продвижение новых технологий возобновляемой энергетики. Поэтому в первую очередь в России назрела необходимость принятия закона о возобновляемой энергетике.
    Возобновляемые источники энергии привлекают своей относительной экологической чистотой, возможностью создать на планете общество, живущее в равновесии с природой, возможностью распределения преобразователей энергии различного масштаба и назначения на всей планете. Но чтобы использование возобновляемой энергии вышло на требуемый уровень, необходимо совершить революцию в наших представлениях о ВИЭ, создать в обществе предпосылки к широкому внедрению соответствующих устройств, подготовить специалистов, которые могли бы разрабатывать и эксплуатировать эти устройства. Подготовка специалистов в области возобновляемой энергетики существенно отличается от

9

[п]

обучения узконаправленных специалистов. Инженер по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» должен иметь широкий спектр знаний в области производства, передачи, преобразования и распределения электрической, механической и тепловой энергии.
    Во многих областях использования ВИЭ в России имеются крупные научные результаты. Выявлены большие потенциальные возможности использования возобновляемых источников энергии в решении энергетических и экологических проблем. Вместе с тем нельзя не отметить крайне малое количество публикаций и рекомендаций по реализации разработок и развитию возобновляемой энергетики. Предлагаемая книга должна восполнить этот недостаток и ликвидировать пробел между описательными обзорами и специальными изданиями по частным вопросам. Ее цель - показать, какие физические процессы лежат в основе использования ВИЭ.
    Книга состоит из семи глав. В первой главе представлены классификация и характеристика основных видов ВИЭ, рассмотрены способы преобразования возобновляемой энергии и согласования генерируемой энергии установками возобновляемой энергетики с потребителями.
    Вторая глава посвящена ветроэнергетике. В ней дана классификация ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэлектростанций (ВЭС). Рассмотрены физические основы возникновения ветровой энергии, основы теории ВЭУ в рамках линейной модели, режимы работы и основы управления ВЭУ, а также конструкции ветроустановок, предлагаемых сегодня на рынке. В отдельный параграф выделена оффшорная ветроэнергетика и ветроэнергетический расчет.
    В третьей главе приведены основы возникновения волновой энергии, представлено математическое описание идеальных и реальных волн и способы преобразования этой энергии в электрическую.
    В четвертой и пятой главах рассмотрены вопросы получения тепловой энергии путем преобразования энергии солнечного излучения. Даны классификация приемников солнечного излучения, методика определения термических сопротивлений теплопотерям и определения суммарных теплопотерь в системе с использованием метода тепловой цепи. Освещены также прикладные вопросы использования солнечной энергии для сушки материалов и сельскохозяйственной продукции, опреснения воды и получения холода.
    Шестая глава посвящена солнечным электростанциям (СЭС). В ней рассмотрены конструкции СЭС и способы получения электрической энергии путем преобразования энергии солнечного излучения. Представлены конструкции СЭС, находящихся в эксплуатации, в которых подтвердились принципы получения электроэнергии, строящихся СЭС на основе новых технологий, и проектируемых, которые находятся в стадии опытно-конструкторских разработок.

10

ПРЕДИСЛОВИЕ



О

    В седьмой главе рассмотрены вопросы аккумулирования энергии. Гибридные системы на основе ВИЭ, как правило, имеют в своем составе накопитель энергии, без которого согласовать выработку энергии и ее потребление не представляется возможным. Даны характеристика аккумуляторов энергии и их параметры.
    Автор признателен рецензентам: д-ру техн. наук, академику РАН Б.Е. На-корякову, д-ру техн. наук. Ю.В. Дёмину, д-ру физ.-мат. наук С.М. Коробейникову, Генеральному директору ЗАО НПФ «ДатаКрат» М.В.Матюхину, техническому директору ООО «СибЭкоДомСтрой» Б.В. Малых за ценные замечания, сделанные при чтении рукописи.
    Предложения и замечания направлять по адресу: 630092, Новосибирск, просп. К. Маркса 20, НГТу.

Введение

    ■Z нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся ■ ^солнце, ветер, биомасса, геотермальные воды и горячие скальные грунты, морские приливы, гидроэнергия и другие виды, не связанные с использованием энергоносителей, имеющихся на Земле в ограниченном количестве. Возобновляемые источники энергии иногда называют альтернативными или дополнительными. Первое название отражает возможность в будущем широкого применения некоторых видов этих источников в «большой» энергетике, второе -характеризует ограниченное использование ВИЭ в настоящее время. Эти термины не применяют к гидроэнергии, так как гидроэлектростанции (ГЭС) широко распространены и применяются уже длительное время. Принято условно разделять ВИЭ на две группы.
    1.    Традиционные: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.
    2.    Нетрадиционные: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие «новые» виды возобновляемой энергии.
    Количество потребляемой в мире энергии непрерывно растет (рис. 01). Увеличивается и доля ВИЭ в энергобалансе нашей планеты. Сейчас мировая энергетика должна развиваться в направлении освоения экологически чистых источников энергии, которые получат широкое распространение в будущем. Для решения этой задачи определены три ключевые цели энергетической политики — повышение конкурентоспособности ВИЭ, надежность энергоснабжения и защита окружающей среды. Содействие возобновляемой энергетике определяется как ведущий фактор достижения этих целей. Важная роль отводится обеспечению энергетической безопасности, которая не может быть достигнута без использова-

12

ВВЕДЕНИЕ



ния ВИЭ. Энергетическая безопасность любой страны характеризуется коэффициентом самообеспеченности:

W
Коб = —
W W₂


где W। - энергия, производимая в стране; W2 - энергия, потребляемая в стране.
    Если Коб < 1, страна вынуждена импортировать энергоресурсы, а в случае

Коб > 1 страна может экспортировать энергоресурсы.
    Европейский Союз (ЕС) ставит цель к 2010 году удвоить долю ВИЭ в общем энергопотреблении ЕС (с 6 % в настоящее время до 12 %). Текущие тенденции

показывают, что в течение последних

лет можно наблюдать значительный технологический прогресс в области ВИЭ. Стоимость технологий ВИЭ значительно понижается, многие виды технологий возобновляемой энергетики при определенных условиях достигли или приближаются к экономической жизнеспособности. Кроме того, появляются первые признаки крупномасштабного применения проектов на основе использования энергии ветра и солнца. Некоторые технологии, в частности на основе биомассы, ветра и малых ГЭС, являются в настоящее время

Годы

Рис. 01. Прогноз потребления энергии на Земном шаре

конкурентоспособными и экономически жизнеспособными в сравнении с другими децентрализованными способами энергоснабжения. Фотоэлектричество,

хотя и характеризуется быстро уменьшающейся стоимостью, из технологий ВИЭ остается наиболее зависимым видом от благоприятных экономических условий на рынке. Солнечные водонагреватели в настоящее время конкурентоспособны во многих регионах Европейского Союза.
    Серьезным препятствием для большего использования различных видов ВИЭ

являются высокие начальные инвестиционные расходы. Цены на энергию, про

изводимую традиционными топливными генераторами, в настоящее время не отражают действительную стоимость, включающую внешние издержки для общества, живущего в условиях ухудшения окружающей среды, вызванного их использованием. Другое препятствие заключается в том, что технологии возобновляемой энергетики, как и в случае со многими другими творческими технологиями, страдают от начального недостатка доверия со стороны инвесторов, правительств и пользователей.

13

[п]

    Определение стратегии развития возобновляемой энергетики стало необходимым по ряду причин. Первая и главнейшая причина заключена в том, что без последовательной и ясной программы действий и далеко идущей общей цели внедрения БИЭ эти источники энергии не смогут сделать крупный вклад в энергетический баланс любой страны. Технологический прогресс не в состоянии самостоятельно сломать отдельные нетехнические барьеры, препятствующие проникновению технологий ВИЭ на энергетические рынки. В подобной ситуации необходимы политические меры к смещению баланса в сторону фундаментальных обязательств, касающихся понятий окружающей среды и энергетической безопасности. Без ясной и всесторонней стратегии, сопровождаемой законодательными актами, развитие ВИЭ будет запаздывать. Политика содействия БИЭ требует всесторонних инициатив, затрагивающих широкий диапазон направлений: энергия, окружающая среда, занятость населения, налогообложение, конкуренция, исследования, технологическое развитие, сельское хозяйство, региональные и внешние отношения.
    В качестве примера, подтверждающего вышесказанное, можно привести показатели программы развития возобновляемых источников энергии в ЕС до 2020 года, приведенные в табл. 01 и 02. Уже существуют так называемые «зеленые тарифы», предлагаемые в некоторых государствах - членах ЕС, которые предусматривают добровольное увеличение тарифов на электроэнергию со стороны потребителей при условии ее генерации от ВИЭ.


Таблица 01

Показатели развития европейской ветроэнергетики

           Целевые показатели                   2020 г.                2030 г.        
Суммарная установленная мощность ВЭУ              230                    400          
(ГВт)                                                                                 
Установленные на суше/морского базиро-          190/40                 250/150        
вания (ГВт)                                                                           
Выработка электроэнергии (ТВт • ч)                582                   1155          
Установленные на суше / морского базиро-        433/148                592/563        
вания (ТВт • ч)                                                                       
Доля энергии ветра в суммарном производ-      14,3...16,6            25,2...34,3      
стве электроэнергии (%)                                                               
Установленные на суше/морского базиро-   10,7...12,4/3,6...4,2 13,4...17,6/12,8...16,7
вания (%)                                                                             
Суммарные инвестиции в отрасль (млрд             23,5                   24,8          
евро)                                                                                 
Установленные на суше/морского базиро-         14,7/8,8               8,3/16,5        
вания (млрд евро)                                                                     

14