В А Маляренко - Возобновляемые источники энергии в стратегии обеспечения комфортной среды обитания - страница 1

Страницы:
1  2 

Научно-технический сборник №66

населения, воздействия внешних и внутренних факторов. Возникает потребность в более углубленном анализе и детальном раскрытии не только технико-экономических параметров, но и социально-бытовых аспектов жизнедеятельности населения, во внесении изменений в про­граммы.

Включение в основу программ развития регионов механизмов обеспечения достойных условий жизни населения, учет и прогнозиро­вание изменений социальных отношений и взглядов на качество жизни позволит эффективнее проводить реализацию этих программ, умень­шит необходимость их коррекции в ходе мониторинга.

1 .Десять принципов градостроительства // http://www.washprofile.org.

2. Програма розвитку і реформування житлово-комунального господарства Хар­ківської області на 2003-2010 рр. (Колектив авторів під керівництвом Л.М.Шутенка, А.Л.Кравчука, В.Т.Семенова). - Харків: ХДАМГ, 2003. - 248 с.

3. Програма економічного і соціального розвитку Харківської області на 2005 рік // http://kharkivoda.gov.ua.

Получено 17.10.2005

УДК 621.311 : 502.5

В.А.МАЛЯРЕНКО, д-р техн. наук

Харьковская национальная академия городского хозяйства В.В.СОЛОВЕЙ, д-р техн. наук

Институт проблем машиностроения НАН Украины им. А.Н.Подгорного, г.Харьков А.И.ЯКОВЛЕВ, д-р техн. наук

Национальный аэрокосмический университет «ХАИ» им. Н.Е.Жуковского, г.Харьков

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В СТРАТЕГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМФОРТНОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

Рассматриваются концептуальные вопросы создания экологически чистых энерго­эффективных усадебных домов и поселков.

Обеспечение комфортных условий проживания населения, под­держания экологической чистоты среды обитания во многом зависит от общего состояния энергоснабжения и энергопотребления. Послед­ние факторы определяются наличием топливно-энергетических ресур­сов, их добычей, переработкой и использованием, применяемыми при этом энергоэффективными и экологически чистыми технологиями на всех этапах цепи «источник - сеть - потребитель».

Данная проблема комплексная, связанная с целым рядом факто­ров: научно-технических, правовых, организационно-экономических. Определяющим является выработка соответствующих подходов и концепции, на некоторых из которых относительно расширенного при­менения возобновляемых источников энергии остановимся ниже.

Представленные материалы базируются на многолетних исследовани­ях авторов, освещенных в обобщающих работах [1-6].

Экологическая безопасность в мире и Украине. В последние годы ученые мира с большим беспокойством говорят о быстром накоплении вредных веществ в атмосфере (оксидов азота, серы, углекислого газа в количестве 22620 тыс. т ежегодно). Следствием этого является «пар­никовый эффект», тепловое загрязнение, повышение температуры и ухудшение климата Земли. Еще в 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) и в 1997 г. в Киото (Япония) 183 страны подписали конвенцию по климату, в том числе Украина. Это еще раз свидетельствует о том, что изменение климата - общечеловеческая проблема.

На планете значительно изменился топливно-энергетический ба­ланс. Удельный вес нефти составляет 44%, природного газа - 18%, угля - 35%. По оценке экспертов, всего органического топлива на уровне его использования в 2005 г., хватит человечеству примерно на 150 лет. Предполагается, что до 2050 г. будет израсходовано 90% всех известных мировых запасов нефти и газа. Причем ориентировочный прогноз следующий: по запасам нефти - 30 лет, газа - 25 лет, угля -700 лет, трансурановым рудам - 150 лет.

Экологический ущерб, наносимый использованием невозобнов-ляемых органических энергоносителей (угля, нефти, мазута) и ядерно­го топлива, их быстрое истощение обусловливают настоятельную не­обходимость в переводе генерации электроэнергии на возобновляемые экологически чистые источники.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это те запасы, кото­рые восполняются естественным образом, прежде всего за счет посту­пающего на поверхность Земли потока энергии солнечного излучения. В обозримой перспективе они (сама солнечная энергия и ее производ­ные: энергия ветра, энергия растительной биомассы, энергия водных потоков и т. п.) практически неисчерпаемы. Вся мировая энергетика развивается в направлении использования ВИЭ. Такие страны как Германия, США, Испания, Швеция, Дания, Япония планируют в пер­вой половине ХХІ ст. увеличить долю ВИЭ в общем энергобалансе до

20-50 %.

Европейское сообщество предусматривает до 2010 г. удвоение части возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, биомассы, гидроэнергии и др.) в общем энергоснабжении - с 6 до 12%. Впечатля­ет развитие ВИЭ в Германии, где только в сфере использования сол­нечной энергетики занято 30 тыс. человек, и годовой оборот средств составляет 2 млрд. евро. Аналогично в Дании, Испании, Швеции, Фин­ляндии, Австрии.

Несмотря на существующие экономические трудности, Украина в данное время по уровню освоения ВИЭ вышла на первое место среди стран СНГ и есть все основания для оптимистичных прогнозов ее дальнейшего развития. В частности, к 2010 г. будут смонтированы ветроагрегаты общей мощностью 2 млн. кВт. В настоящее время уже работают 8 ВЭС в Крыму, которые выработали около 1 млрд. кВтч энергии.

Характеристика нетрадиционных источников энергии

Ветроэлектрические установки (ВЭУ). Наиболее распространен­ным типом ВЭУ является ветровая турбина с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей - чаще всего две-три. Турбина и электрогенератор размещаются в гон­доле, установленной на верху мачты.

ВЭУ используют для генерирования электрической энергии, за­рядки аккумуляторов для работы совместно с дизельгенераторами и комбинированными ветро-солнечными установками, в том числе уста­новленными на мелководье (оффшорные станции) и на береговой ли­нии рек и морей.

Солнечный коллектор представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны ящик, внутри которого помещена тепловосприни-мающая металлическая панель, закрытая сверху светопрозрачным ог­раждением. Панель является теплообменником, по каналам которого прокачивается нагреваемая солнцем вода. Вода направляется в тепло­изолированный бак, гидравлически соединенный с солнечным коллек­тором. Циркуляция воды в замкнутом контуре солнечный коллектор -бак - солнечный коллектор может осуществляться как естественным образом за счет разности гидростатических давлений в столбах холод­ной и нагретой воды, так и с помощью насоса.

Первичная биомасса является продуктом преобразования энергии солнечного излучения в процессе фотосинтеза. В Украине технически возможно ежегодно использовать до 400 млн. т биомассы; органиче­ских отходов (от сельскохозяйственного производства - 250 млн. т, от деревообрабатывающей промышленности - 60 млн. т), а также до 80 млн. т твердых бытовых отходов городов и до 10 млн. т осадков ком­мунальных стоков.

Фотоэлектрические установки находят все более широкое прак­тическое применение как источник электроэнергии для малых и сред­них потребителей, требующих автономного энергоснабжения. В ряде случаев они подключены к электрическим сетям.

Для фотопреобразователей из поликристаллического, аморфного и монокристаллического кремния достигнут КПД 20%. В Германииработают ФЭС мощностью 5 МВт, которые включены в единую госу­дарственную систему электрогенерирования.

Геотермальное теплоснабжение является хорошо освоенной технологией. Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т. п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке. В качестве перспективной для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Одесская область, западная часть Закарпатья, северная часть Крымской области. Тепло­обменники и модульные установки геотермального теплоснабжения тепловой мощностью 6-20 МВт выпускаются в России и Украине.

К микро-ГЭС в соответствии с общепринятой международной классификацией относятся гидроэнергетические агрегаты мощностью до 100кВт (к малым от 100 кВт до 10 МВт). Подобные микро-ГЭС обеспечивают работу установок как в автономном режиме, так и в единой электрической сети. Они могут работать в полностью автома­тизированном режиме и не требуют постоянного присутствия обслу­живающего персонала, обладая повышенным ресурсом работы (до 40 лет).

В ближайшее десятилетие человечество вступит в эру водородной энергетики, а затем в эпоху водородной экономики и цивилизации. Уже сейчас в ряде развитых стран действуют государственные про­граммы и освоен выпуск новых экологически чистых автомобилей (США, Германия, Япония). На очереди проекты большой водородной энергетики.

Использование возобновляемых источников энергии для горячего водоснабжения, отопления и электроснабжения экологически чистых усадебных домов и поселков

Как обеспечить тепловой комфорт и экологическую чистоту в помещении, повысить тепловую эффективность усадебного дома? Как уменьшить теплопотери и утеплить помещение, как правильно вы­брать систему отопления и снабжение горячей водой для бытовых це­лей - вот вопросы, актуальность которых возрастает из года в год.

С появлением новых энергосберегающих технологий и оборудо­вания для потребителя возникла реальная возможность максимально упростить выбор оптимального варианта для каждого конкретного случая проектирования и строительства жилья и систем его энерго­снабжения. Остановимся на некоторых вопросах использования во­зобновляемых источников энергии на всех этапах строительства, ре­конструкции, модернизации домов, квартир, офисов и связанного с этим выбора материалов, оборудования, определения возможности их последующей эффективной эксплуатации.

В последние годы, исходя из современных технических характе-

ристик теплотехнического оборудования и строительных материалов,

принят ряд новых нормативно-правовых актов, которые регламенти-

руют аспекты энергосбережения в производственной и бытовой сфе­рах. Имеется целый ряд отдельных схемных решений, с оценкой их эффективности, технических характеристик применяемых материалов, теплогенерирующего и вспомогательного оборудования и, в целом, возобновляемых источников энергии.

Рассмотрим наиболее интересные, на наш взгляд, различные ва-

рианты ветроэлектрических, солнечных и гидроэлектрических источ­ников энергии в рамках реализации конкретных проектов.

Ветроагрегаты и установки для тепло- и электроснабжения усадебного дома. Энергию ветра для теплоснабжения наиболее пер­спективно использовать автономным потребителям, особенно в сель­ской местности. В небольшом индивидуальном фермерском хозяйстве рентабельно применять автономные маломощные (до 10 кВт) ветро­энергетические агрегаты. Подобное хозяйство потребляет за год 3 тыс.

кВтгод электроэнергии. Если используется электроотопление, то рас-

ходы возрастут до 20 тыс. кВтгод. Ветроагрегат при среднегодовой мощности 10 кВт за 2 тыс. часов вырабатывает 20 тыс. кВтгод элек­троэнергии, которая обеспечивает все потребности хозяйства.

Ветроагрегаты могут работать в комплексе с гелиоустановками и

аккумуляторами тепла. Их можно применять и для прямого производ­ства тепла, воспользовавшись гидродинамическими теплогенератор-ными (ТГ) установками (рис. 1).

Рис. 1 - Установка ТГ с ветроагрегатом: 1 - нагреватель ТГ; 2 - электрогенератор или механический привод; 3 - ветроколесо; 4 - башня ветроагрегата; 5 - бак-аккумулятор тепла; 6 - нагревательные устройства.

Использование гидродинамических нагревателей ТГ с механиче­ским приводом от ветроустановки дает возможность упростить техно­логию производства тепла и в то же время организовать движение теп­лоносителя в системе теплоснабжения. Они могут работать и от элек­троэнергии, произведенной ветроустановкой.

Для получения электроэнергии предлагается ветротурбина мощ­ностью 1 кВт, генерирующая около 1900 кВтч электроэнергии в месяц (средний дом потребляет от 700 до 1200 кВтч в месяц).

Ветротурбина генерирует постоянный ток при скорости ветра 7-10 м/с. Мощность передается по проводам на инвертор, преобра­зующий постоянный ток в переменный со стандартным напряжением и частотой (220В, 50Гц). Ток поступает в домашнюю сеть и использу­ется для питания потребителей (телевизора, холодильника, стиральной машины и других бытовых приборов). Излишек электроэнергии может быть возвращен в местную электрическую сеть. Расчеты показывают, что экономия средств может составить 150 долл. в месяц.

Солнечные энергетические установки. Рассматривается вариант солнечной водоподъемной и электрогенерирующей установки, реали­зующей термодинамическую схему с плоскими неподвижными кол­лекторами, которая работает при температуре горячей воды 60-100°С. Коллектора могут располагаться на крыше усадебного дома.

Установка с прямым преобразованием солнечной энергии в элек­трическую должна отвечать заданным критериям по экономическим и экологическим соображениям. При создании солнечных насосных и электрических установок предусмотрена их работа совместно с систе­мами аккумулирования энергии. Так как для бытовых нужд достаточ­но 5-10 кВт, возможно использование теплового аккумулятора.

На рис.2 показана принципиальная схема небольшой солнечной энергетической станции, работающей по циклу Ренкина. Источником тепла является горячая вода, циркулирующая в первом контуре кол­лектора от насоса 6.

В испарителе 8 находится фреон под давлением 0,3-0,4 Мха. Па­ры фреона расширяются и поступают на турбину 1, которая вращает электрогенератор 2, вырабатывая электроэнергию. После турбины па­ры фреона конденсируются в конденсаторе 3 при охлаждении подня­той воды. Затем с помощью насоса 5 конденсат вновь подается к испа­рителю 8. При этом жидкостный контур герметично замкнут.

Солнечный водоподъемник может работать по такому же прин­ципу, если вместо турбогенератора установить поршневой двигатель, который был бы непосредственно связан с размещенным в скважиненасосом. Для аккумулирования энергии можно отводить часть тепло­вого потока от источника тепла к резервуару с горячей водой. Воз­можные режимы работы: водоснабжение усадебного дома, полив па­стбищ, создание насосных станций для орошения земельных участков и т.п.

Рис.2 - Принципиальная схема солнечной насосной и электрической установки: 1 - турбина; 2 - генератор переменного тока; 3 - конденсатор; 4 - водоподъемный насос; 5 - питательный насос; 6 - циркуляционный насос; 7 - коллектор; 8 - испаритель.

Уровень солнечного излучения для различных регионов Украины составляет от 3,8 на западе до 4,99 ГДж/м2 - на юге в год. Поэтому солнечную энергию можно эффективно использовать в солнечных ус­тановках для подогрева воды на бытовые нужды.

Солнечные установки для подогрева воды - «экологически вы­годная» альтернатива традиционным системам. Они надежны и удоб­ны в обслуживании, а главное - дают возможность беречь традицион­ные энергоресурсы и, соответственно, средства.

Основа солнечной установки - солнечные коллекторы (поз.7 на рис.2). Одна из перспективных конструкций - вакуумный трубчатый солнечный коллектор. Он имеет вид панели, на которой размещены трубки Девара. Это двустенные стеклянные трубки (одна в другой), в пространстве между которыми - вакуум. Внутренняя стеклянная труб­ка имеет селективную оболочку-поглотитель, в которой аккумулиру­ется тепловая энергия. Теплоноситель - незамерзающая жидкость на основе гликоля (выдерживает до - 40°С). Им заполнен первый контур солнечной установки, соединяющий солнечный коллектор с водяным теплообменником в случае, когда температура воды в емкости стано­вится ниже температуры теплоносителя.

Технические характеристики солнечного коллектора:

-  общая площадь поверхности коллектора - 1,951 м2;

- активная площадь поверхности коллектора - 1,723 м2;

- размеры - 1640 х 1190 х 120 мм;

- вес - 56 кг;

- объем теплоносителя - 2,3 л;

- вакуумные трубы Девара (борно-силикатное стекло) - 14 шт.;

- рама коллектора - из нержавеющей стали;

- зеркало отражателя - из нержавеющей зеркальной стали;

- мощность - 0,7 кВт;

- гарантия - 10 лет.

Такой тип коллектора обеспечивает примерно потребность инди­видуального дома в теплой воде, что составляет в среднем 150 л воды температурой 45-50°С в сутки.

Солнечные коллекторы можно устанавливать на крыше дома, на стене, а также на поверхности земли, желательно, в южном направле­нии с углом наклона 45°С.

Гидроэнергетические ресурсы. Для автономного и централизо­ванного теплоснабжения возможно использование мини- и микро-ГЭС мощностью 5-100 кВт. Их количество с каждым годом растет, по­скольку сейчас активно восстанавливается работа ГЭС, остановленных в 60-70-е годы прошлого века.

Использование гидроэнергии от мини- и микро-ГЭС для тепло­снабжения осуществляется с помощью электроТЭНов, электрокалори­феров, электрокотлов и др. Также можно использовать гидродинами­ческие нагреватели ТК с прямым механическим приводом от гидро­турбины или с приводом от электрогенератора ГЭС.

Современные гидроэнергетические установки разной мощности для мини- и микроГЭС изготавливает известное харьковское предпри­ятие «Турбоатом», которое производит микро-ГЭС мощностью 5 кВт в полной заводской готовности для индивидуальных, в частности, сель­ских, потребителей. Они пригодны для обогрева помещений объемом 120 м3 с использованием электроотопления.

Энергия текучей среды малых рек с успехом может быть преобра­зована при помощи микроГЭС для многочисленных индивидуальных потребителей. Например, при скорости течения реки 2-5-3,5 м/с и раз­мерах гидротурбины всего 2,5х2,5 м мощность установки составляет 5 - 10 кВт. Этого вполне достаточно для обеспечения бытового хозяй­ства (для полива, откорма животных, обогрева дома, теплицы и т. п.). В качестве аналога может служить микроГЭС мощностью 5 кВт, разра­ботанная Национальным аэрокосмическим университетом «ХАИ»

(рис.3).

Рис.3 - Гидроэлектростанция: 1, 2 - лопасти; 3 - вал; 4 - гибкая передача; 5 - редуктор; 6 - электрогенератор; 7 - платформа; 8 - понтон.

Работает гидроэлектростанция следующим образом. Вода при те­чении со скоростью 1,5—2,5 м/с воздействует на лопасти 1 и 2 гидро­турбины, заставляя их вращаться. Момент вращения гидротурбины барабанного типа передается на вал 3 и через гибкую передачу 4 и ре­дуктор 5 на электрогенератор 6, который вырабатывает электроэнер­гию для передачи на берег. Вся установка гидроэлектрогенератора расположена на платформе 7 и понтоне 8.

Если принять диаметр гидротурбины 2 м и её высоту 2 м, то мощность такой гидротурбины при скорости течения V = 2,5 м/с будет равна 5 кВт.

Эту гидротурбину можно использовать и для водоподачи из реки в усадебный дом. В этом случае момент вращения от турбины переда­ется на вал поршневого насоса, вода на берег подается по трубам.

Конкретная документация может быть разработана после согла­сования технического задания на экологически чистый усадебный дом и принятые виды энергоисточников.

Автономные ветро-гелиоводородныеустановки

При всей привлекательности солнечной (гелио-) и ветроэнергети­ки нельзя не отметить существенный недостаток, связанный с нерав­номерностью поступления энергии, что обусловливает необходимость поиска рациональных технологий, обеспечивающих выработку энер­гии в периоды их отсутствия, а, следовательно, создание системы, обеспечивающей аккумулирование и последующую генерацию энер­гии. Указанные проблемы могут быть решены с помощью автономной ветро-гелиоводородной установки (АВГУ).

АВГУ состоит из следующих элементов, взаимоувязанных по своим функциональным параметрам: ветрогенератор (ВЭУ), фотопре­образователя, электролизера для получения водорода и кислорода, системы хранения сжатых газов и топливного элемента. Проблема не­регулярного поступления энергии решена следующим способом. По­лученная от ВЭУ или солнечного преобразователя электрическая энер­гия поступает в электролизер, конструкция которого обеспечивает по­требление некондиционной электроэнергии. Это позволяет избежать потребления электроэнергии от сети и открывает широкие перспекти­вы для создания автономных энергокомплексов малой и средней мощ­ности для индивидуальных потребителей.

АВГУ с водородным накопителем энергии предназначена для преобразования гелиоинсоляции и энергии ветра при скорости > 3 м/с в электрическую энергию переменного тока напряжением 220/380 В частотой 50 Гц и мощностью 200-600 кВт, а также для производства экологически чистого энергоносителя - водорода в качестве коммер­ческого продукта.

В предлагаемой конструкции электролизера используется новый способ разделения процессов выделения газов (водорода и кислорода) во времени, т.е. процесс работы электролитической системы становит­ся циклическим, состоящим из чередующихся периодов выделения водорода и кислорода.

Разделение во времени процессов газовыделения возможно бла­годаря накоплению одного из продуктов электролиза воды в электро­химически активном соединении, находящимся в электрохимической ячейке в твердой фазе. В качестве пористого электрода в системе вы­ступает губчатый металл, осажденный на перфорированный или сет­чатый носитель для придания пористому электроду требуемой формы. Особенностью предлагаемой технологии является то, что используется электрохимическая система регенерации, позволяющая периодически восстанавливать высокую активность губчатых электродов. Вся систе­ма работает под высоким (15 МПа) давлением и снабжена специальной системой управления, обеспечивающей надежную и безопасную рабо­ту установки. По техническому уровню, простоте монтажа и обслужи­вания, надежности и безопасности она превосходит традиционные ветроэнергоустановки аналогичной мощности, предлагаемые мировым рынком.

Преимущество использования водородного накопителя состоит в том, что он может аккумулировать водород при высоком давлении, а при отсутствии ветра и солнечной инсоляции, вырабатывать электри­ческую энергию, работая в качестве топливного элемента.

Полученный водород можно использовать:

- для обогрева теплиц посредством каталитического сжигания;

- для обеспечения рабочим телом водород-кислородных горелок для пайки, сварки, резки и термообработки металлоизделий;

- для обогрева жилых помещений с помощью каталитических нагревателей;

- в качестве моторного топлива;

- в качестве газа-наполнителя метеорологических шаров-зондов;

- в качестве топлива в электрохимических генераторах. Эксплуатация комбинированных энергетических АВГУ даже в

условиях северо-восточных областей Украины обеспечивает эконо­мию почти трети органического топлива, необходимого для энерго­снабжения индивидуальных фермерских хозяйств. При этом системы аккумулирования повышают коэффициент полезного использования ветровых и солнечных энергоустановок на 30-50%. Таким образом минимум треть энергии, которая не могла быть использована, перехо­дит в приемлемое для потребителя качество. Благодаря этому в ком­бинированных энергосистемах можно применить энергоустановки на основе возобновляемой энергии меньшей мощности, чем при единич­ном их использовании. Соответственно, капиталовложения, которые для установок нетрадиционной энергетики в настоящее время доста­точно велики, существенно сокращаются.

Стабильное и непрерывное энергообеспечение потребителей энергией необходимого качества увеличивает шансы развития и широ­кого использования альтернативной нетрадиционной энергетики на базе возобновляемых энергоресурсов в различных областях производ­ства, сельского и жилищно-коммунального хозяйства.

1. Маляренко В.А. Введение в инженерную экологию энергетики. - Харьков: ХГАГХ, 2001. - 166 с.

2. Маляренко В.А, Варламов Г.Б., Любчик Г.Н., Стольберг Ф.В., Широков С.В., Шутенко Л.Н. Энергетические установки и окружающая среда / Под ред. проф. В.А.Маляренко. - Харьков: ХГАГХ, 2002. - 398 с.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В А Маляренко - Возобновляемые источники энергии в стратегии обеспечения комфортной среды обитания

В А Маляренко - Тепловые режимы зданий основа эффективного управления системой теплоснабжения

В А Маляренко - Концептуальные положения развития муниципальной энергетики украины

В А Маляренко - Введение в инженерную экологию энергетики

В А Маляренко - Енергетика і навколишнє середовище