Альтернативные источники энергии

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.





Ю.Д. СИБИКИН
М.Ю. СИБИКИН


 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ



УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
2-е издание, стереотипное





znanium.com

Москва
ИНФРА-М
2023

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.15я73

     С34











      Сибикин Ю.Д.
С34 Альтернативные источники энергии : учебное пособие / Ю.Д. Сиби-кин, М.Ю. Сибикин. — 2-е изд., стер. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 247 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1862890.


         ISBN 978-5-16-017601-7 (print)
         ISBN 978-5-16-110146-9 (online)

         В учебном пособии рассмотрены современное состояние и перспективы использования в России и за рубежом энергии солнца, ветра, геотермальных вод, малых рек, океанов, морей, вторичных энергоресурсов и других возобновляемых источников энергии. Приведены примеры их внедрения в народное хозяйство.
         Рассмотрены методы оценки перспектив использования ресурсов альтернативных источников энергии.
         Для студентов энерго- и теплотехнических направлений подготовки и специальностей 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 13.02.10 «Электрические машины и аппараты», 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)», а также для инженерно-технических работников, занимающихся решением проблем использования альтернативных источников энергии.


УДК 621.3(075.8)
ББК 31.15я73


ISBN 978-5-16-017601-7 (print)
ISBN 978-5-16-110146-9 (online)

© Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю., 2014, 2022

                ОГЛАВЛЕНИЕ




Введение...........................................  6
Предисловие......................................... 8

Глава 1
Энергетика — общие сведения
1.1. Термины и определения......................... 10
1.2. Традиционные и альтернативные источники энергии............................................ 20
1.3. Энергетическое хозяйство промышленно развитых стран.............................................. 24
1.4. Ресурсная обеспеченность мировой энергетики и перспективы ее развития.......................... 27
1.5. Современное состояние энергетики России....... 33
1.6. Стратегия развития отечественной энергетики до 2020 г.......................................... 40
1.7. Место альтернативных источников в удовлетворении энергетических потребностей человека .............. 41

Глава 2
Энергетика и проблемы экологии
2.1. Влияние антропогенной деятельности на экологию ... 44
2.2. Основные направления экологической политики при развитии ТЭК................................... 48
2.3. Виды вредностей и их воздействие на человека.      51
2.4. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны..................... 53
2.5. Охрана атмосферного воздуха от загрязнений промышленными предприятиями........................ 57
2.6. Инвентаризация выбросов в атмосферу загрязняющих веществ тепловых электростанций и котельных......    60
2.7. Организация контроля выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях и в котельных.......     66
2.8. Определение количества выбросов..............  70

Глава 3
Использование энергии Солнца
3.1. Физические процессы преобразования солнечной энергии............................................ 82

3.2. Типы солнечных коллекторов и принципы их действия.......................................... 92
3.3. Солнечные тепловые электростанции (СТЭС)......  100
3.4. Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС)....  103
3.5. Типы солнечных батарей......................... 112
3.6. Зарядка и подзарядка аккумуляторов............. 113
3.7. Расчет параметров солнечной батареи............ 117

Глава 4
Использование энергии ветра
4.1. Ветроэнергетические установки.................. 119
4.2. Запасы энергии ветра и возможности ее использования ............................................ 123
4.3. Сведения о ветровом кадастре России ........... 126
4.4. Расчет идеального и реального ветряка.......... 127
4.5. Ветроэлектростанции............................ 133

Глава 5
Геотермальная энергетика
5.1. Источники геотермального тепла. Способы и методы его использования в мире............................ 137
5.2. Использование геотермального тепла в Российской Федерации........................................... 139
5.3. Конструктивные особенности ГеоЭС России и перспективы их развития........................... 142

Глава 6
Использование энергии океанов и морей
6.1. Приливообразующие силы Луны и Солнца........... 147
6.2. Энергетические ресурсы океанов................. 150
6.3. Приливные электростанции....................... 151
6.4. Состояние использования энергии океанов в мире ... 154
6.5. Специфика энергетического расчета ПЭС.......... 158
6.6. Непосредственное использование в графике нагрузки энергоотдачи приливов............................... 159
6.7. Использование ПЭС в комплексе с ГЭС (ГАЭС)....     160

Глава 7
Использование вторичных энергетических ресурсов
7.1. Система определений, понятий и классификация вторичных энергетических ресурсов................... 164

7.2. Определение выхода и использования ВЭР......... 169
7.3. Определение экономии топлива от использования ВЭР................................................. 173
7.4. Технологии использования ВЭР при эксплуатации и их учет при проектировании........................ 177
7.5. Опыт экономии тепловой энергии за счет использования ВЭР ........................................ 180


Глава 8
Использование производственных и сельскохозяйственных отходов, энергии малых рек и тепловых насосов
8.1. Рациональное использование биомассы........... 188
8.2. Энергетическое использование твердых бытовых отходов............................................ 196
8.3. Малая гидроэнергетика......................... 206
8.4. Использование тепловых насосов................ 209

Глава 9
Новые виды альтернативных источников энергии
9.1. Новые виды жидкого и газообразного топлива...  217
9.2. Синтетическое топливо из углей................ 219
9.3. Горючие сланцы................................ 222
9.4. Битуминозные породы........................... 224
9.5. Спиртовые топлива............................. 225
9.6. Водородная энергетика......................... 226


Глава 10
Методы оценки перспектив использования ресурсов АИЭ
10.1. Оценка геотермальных ресурсов................. 228
10.2. Оценка ресурсов солнечной энергии............. 230
10.3. Оценка ресурсов ветроэнергетики............... 232
10.4. Оценка валового гидроэнергетического потенциала естественных водотоков.............................. 235
10.5. Оценка ресурсов приливной энергии морей и океанов........................................... 238
10.6. Оценка ресурсов волновой энергии.............. 241
10.7. Перспективы развития АИЭ...................... 244
Список использованной литературы.................... 246

                ВВЕДЕНИЕ





    Среднесуточная добыча нефти в России в 2021 г. выросла до 10,52 млн барр. (524 млн т в год).
    Добыча угля в 2021 г. составила 439 млн т, добыча газа — 762,3 млрд м³.
    Производство электроэнергии в 2021 г. достигло 1,131 трлн кВт-ч.
    Одной из важнейших особенностей развития топливно-энергетического сектора экономики России на протяжении последних 30 лет является повышение роли и значения в нем газовой про

мышленности.
    В общем объеме экспортной выручки продукция ТЭК России составила по итогам прошлого года 49%, в том числе за счет газа — 12%; нефтепродуктов — 36%.
    Однако все традиционные источники энергии (газ, нефть и уголь) обязательно закончатся, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI в. человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтернативным источникам энергии.
    Во-первых, непрерывный рост промышленности как основного потребителя всех видов энергии.
    Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в-третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Не менее важной причиной необходи

мости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО₂), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем, и создает так называемый парниковый эффект.
    Благодаря трудам выдающихся отечественных ученых и инженеров: Н. К. Байбакова, А. С. Басина, П. П. Безруких, В. В. Бушуева, С. Н. Ятрова, А. Ф. Дьякова, Б. П. Варнавского, Л. П. Гуж-новского, А. И. Гриценко, Л. В. Жилиной, А. Г. Завалко, Д. Г. Закирова, В. М. Зыкова, Ю. Д. Кузнецова, Р. В. Орлова, Е. В. Пашкова, С. И. Помазанова, В. И. Потапова, Н. К. Праведникова,

М. М. Пчелина, М. Б. Плущевского, А. Ф. Лютенко, С. П. Сушена, Ю. А. Церерина и других проблема внедрения в России альтернативных источников энергии будет позитивно решаться поэтапно в ближайшей перспективе.
    При разработке данного учебного пособия авторами учтены требования Федерального государственного образовательного стандарта для студентов высшего и среднего профессионального образования по укрупненной группе направлений подготовки 13.00.00 «Электро- и теплоэнергетика».

                ПРЕДИСЛОВИЕ




   Структурная реорганизация экономики России требует от энергетиков решения ряда новых специфических проблем.
   Стратегическая задача, поставленная Президентом и Правительством России перед обществом и государством, заключается в том, чтобы определить пути более эффективного использования природных энергетических ресурсов как важнейшего национального достояния страны для существенного повышения производимого социально-ориентированного внутреннего валового продукта (ВВП), а значит качества жизни населения при снижении удельных энергетических и, как следствие, материальных затрат общества на свое развитие.
   В электроэнергетике работает более 1 млн человек. На производство электрической и тепловой энергии в России расходуется более 50% всех добываемых в стране ТЭР. Экономия энергии в электроэнергетике обеспечивается путем:
   улучшения использования мощностей при максимуме нагрузок;
   расширения использования межсистемного эффекта;
   снижения удельных расходов топлива на электростанциях за счет модернизации оборудования;
   ввода крупных высокоэкономичных блоков;
   повышения уровня теплофикации и др.
   Значительное количество горючих энергоресурсов за период 2012-2020 гг. было сэкономлено в результате ввода более совершенного оборудования на новых и реконструируемых ТЭС, а также использования альтернативных источников энергии.
   За рубежом накоплен значительный опыт по совершенствованию конструкции электрогенераторов для ветровых электростанций. Этот опыт использован в России при создании генераторов мощностью до 1000 кВт, способных работать с переменной частотой вращения. Внедрение таких станций обеспечит экономию топлива на ТЭС порядка 6...7% при высокой экологической чистоте.
   Имеющийся в настоящее время в России потенциал гидроресурсов используется недостаточно. Это обусловлено большими экологическими издержками при создании традиционных ГЭС и применением традиционного оборудования.
   ВНИИэлектромаш совместно с АО «Уралэлектротяжмаш» и АО «ЭлСиб» разрабатывают и внедряют гидрогенераторы мощностью от 0,5 до 10 МВт в вертикальном и горизонтальном

исполнениях для малых ГЭС. Эффект от экономии топлива на ТЭС и дизельных станциях за счет внедрения малых ГЭС составит 10%.
    В НИИ и на производственных предприятиях страны проводятся работы, направленные на:
■Ф создание и внедрение экологически чистых ПГУ с внутри-цикловой газификацией твердого топлива мощностью 300...320 МВт для ТЭЦ, что позволит снизить выбросы оксидов азота, углекислого газа в 10 раз, золы в отходящих газах до 8 мг/м³ вместо 50 мг/м³, уменьшить расходы топлива на 10...12%, металла на 12...15%, воды на 25...40%;
    освоение производства котлов утилизаторов для 111 У различной производительности, что позволит сэкономить до 20% топлива;
< создание экологически чистых мусоросжигающих станций с котлами единичной производительностью 5 т/ч по сжиганию 100 тыс т/год твердых бытовых отходов.
    В учебном пособии рассмотрены традиционные и нетрадиционные источники энергии, запасы и ресурсы источников энергии, приведена динамика потребления энергоресурсов в мире, обосновано место альтернативных источников в удовлетворении энергетических потребностей человека.
    Проанализированы вопросы перспективного использования энергии солнца, ветра, геотермального тепла, рассмотрены конструкции солнечных коллекторов, аккумуляторов тепла, солнечных электростанций, ветроэнергетических установок, приливных электростанций, ГеоТЭС и др.
    Даны понятия о вторичных энергоресурсах (ВЭР), приведены примеры их использования в настоящее время и на среднесрочную перспективу.
    Рассмотрены методики оценки перспектив использования ресурсов АИЭ, а также технические и экономические проблемы производства сланцевого газа по новейшим технологиям, разработанным в США, которые привели к «сланцевой революции» (см. гл. 9 п.п. 9.3).

Глава 1





                ЭНЕРГЕТИКА — ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ





1.1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

    В нормативных документах, а также в учебных научно-технических и справочных изданиях, относящихся к энергетике, часто используются общетехнические и специальные термины. Рассмотрим некоторые из терминов, смысловое содержание которых необходимо четко знать читателям настоящей книги.
    Энергетика — область хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы: выработку, преобразование и использование различных видов энергии.
    Теплоэнергетика — отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием тепловой энергии в другие виды энергии (механическую, электрическую).
    Экология — наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.
    Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. С молекулярно-кинетической точки зрения температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Численное значение температуры связано с величиной средней кинетической энергии молекул.
    В международной системе единиц (СИ) (табл. 1.1) единицей измерения абсолютной температуры является кельвин (К); на практике широкое распространение получило измерение температуры в градусах Цельсия (°C). Значения абсолютной температуры ZK и температуры tc по шкале Цельсия связаны соотношением Ц ⁼ tc ⁺ 273,15.
    Совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого тела в данный момент времени называют температурным полем.
    Поверхность внутри тела или на его границах, имеющую одинаковую температуру, называют изотермической.