Инновации в электроэнергетике и электротехнике. КРР. Контрольная работа заочника по дисциплине Инновации в электроэнергетике и электротехнике
 Скачать 1 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ИВТС им. В.П. Грязева) Кафедра «Электроэнергетика» Контрольная работа заочника по дисциплине «Инновации в электроэнергетике и электротехнике» Разработал студент группы И179834/02: __________ Бермудский Г.А. (подпись) Проверил: ___________ Сажиков А.В. (подпись) Тула 2013 Содержание Введение………………………………………………………………….……3 1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ………………………………………………….5 1.1 Солнечная радиация………………………………………………………5 1.2 Сколько солнечной энергии попадает на Землю………………………..6 1.3 Время и место……………………………………………………..………7 2. Солнечная энергетика………………………………………………………9 2.1 История развития солнечной энергетики………………………………..10 2.2 Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики…….10 2.3 Экологические аспекты ветроэнергетики……………………………….14 2.4 Сравнение ВЭУ разных типов…………………………………………….18 2.5 Принцип работы ВЭУ………………………………….………………….20 2.6 Проблемы использования ВЭУ……………………………………………22 2.7 Исследование ВЭУ с вертикальной осью вращения……….……………23 2.8 Требования к площадке…………………………………………………….27 Заключение……………………………………………………………………..32 Список литературы……………………………………………………………..34 Введение Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится "под рукой" у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии. Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество. В настоящее время быт человека во многом зависит от энергоспособности государства и обеспечения электроэнергией населения. Но большая площадь России и наличие труднодоступных регионов осложняют процесс электрификации территории страны. Для крупных потребителей электроэнергии существуют АЭС, ТЭЦ, ГЭС, которые обеспечивают многонаселённые пункты, сельское хозяйство и промышленность. Но до сих пор остаются населённые пункты, которые не имеют устойчивого электроснабжения, так как невыгодно тратить государственные средства на развитие малонаселённых пунктов: тянуть провода, строить новые электростанции и т. д. Также до сих пор является крупной проблемой вопрос об освоении новых территорий. Для построения новых населённых пунктов или отдельных помещений необходимо иметь строительные материалы, электроэнергию, воду и провизию. Всё это можно подвозить или найти локальные источники. Но наиболее ощутимая проблема связана с электроэнергией, так как, чтобы обеспечить электроэнергией район, требуется много времени и денег. Ветроэнергетика же является наиболее эффективным средством для обеспечения малого потребителя, для быта. Локальное расположение установки, простота монтажа конструкции и использования являются явными преимуществами относительно традиционных источников энергии. Как известно, ветер дует везде. Ветроэнергетическая установка - это универсальный источник энергии. Человеку для повседневной жизни в быту нужно не так уж много электроэнергии. Зачем тратить большие силы, чтобы доставить малое количество энергии, если можно поставить малый источник. По конструктивному исполнению разделяются на ВЭУ с вертикальной осью вращения и с горизонтальной осью вращения. Несмотря на то, что наибольшее распространение по всему миру получили ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения для малой энергетики, по моему мнению, наиболее рациональными являются установки с вертикальной осью вращения , так как конструктивно они могут быть реализованы без вращающихся токоведущих соединений. Также преимуществом ВЭУ с вертикальной осью вращения является то, что работа установки не зависит от направления ветра и возможна работа при порывистых и вихревых ветрах. Такая установка не требует постоянного технического надзора, так как не имеет вращающихся токоведущих соединений. Возможно комбинирование ВЭУ с вертикальной осью вращения с метеорологическим оборудованием, антеннами, осветительной аппаратурой, камерами наблюдений, различными датчиками, закреплёнными на конструкциях, проходящих через полую ось ВЭУ. 1.СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.  1.1 Солнечная радиация Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр состоит из: - ультрафиолетовых волн длиной 0,28…0,38 мкм, невидимых для наших глаз и составляющих приблизительно 2 % солнечного спектра; - световых волн в диапазоне 0,38 … 0,78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра; - инфракрасных волн длиной 0,78…3,0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра. Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.   1.2 Сколько солнечной энергии попадает на Землю. Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.  Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное, на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.  Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу. 1.3 Время и место Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2. Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.  2. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. Солнце - источник жизни и жесткий убийца, дающий возможность родиться, и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии. Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли. солнечный энергетика электричество тепло 2.1 История развития солнечной энергетики В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество. Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта. В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы. 2.2 Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики Достоинства: 1) Общедоступность и неисчерпаемость источника (Солнца). ) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Недостатки: Фундаментальные проблемы: 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). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8--2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. 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. ) 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. Технические проблемы: 1) 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. ) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990--2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год. ) Недостаточный КПД солнечных элементов. ) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения. ) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. ) Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Экологические проблемы: 1) Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30--50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. К тому же тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. (Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов). В России ветряные установки использовались в основном для помола зерна. До революции их в стране насчитывалось около 200 000, и перемалывали они более 2 миллиардов пудов зерна в год. Также заинтересовались возможностью выработки электроэнергии с помощью ветроустановок: в 1918 году ветряками занялся профессор В. Залевский, создавший теорию ветряной мельницы и сформулировавший несколько принципов, которым должна отвечать ветроустановка. В 1925 году профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. Отрасль начала стремительно развиваться, и в 1930-х годах Советский Союз был «впереди планеты всей» в использовании энергии ветра. Тогда было освоено производство разнообразных ветроустановок мощностью 3-4 киловатта, которые выпускались целыми сериями. В 1931 году в СССР заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, вслед за ней на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. С 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт - прообраз современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель». Но использование энергии ветра в крупномасштабной энергетике оказалось несвоевременным - нефть оставалась сравнительно дешевой, устойчиво сокращались капитальные вложения в строительство тепловых электростанций, развивалась гидроэнергетика. В 1960-1980-е годы энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС: ветряки не выдержали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую национальную сеть, и в конце 1960-х годов их серийное производство было закрыто. И только к началу 1990-х годов, значительно позже, чем в других странах, в СССР вернулись к этому вопросу. К работам были привлечены МКБ «Радуга» Минавиапрома СССР и НПО «Южное» Минобщемаша СССР, которые организовали в 1990 г. производство ВЭУ мощностью 200, 250 и 1000 кВт. Проектные институты приступили к созданию первых крупных системных ветроэлектростанций: Восточно-Крымской, Ленинградской, Калмыцкой, Магаданской и Заполярной (в Воркуте). Но события 1990-х годов и вслед за тем разразившийся экономический кризис остановил работы на этих объектах. Сейчас в России действуют всего три-четыре десятка небольших ветроэлектростанций, в сумме дающие менее 0,1 % вырабатываемой в стране энергии. В настоящее время установленная мощность ветроэлектростанций в России составляет около 13 МВт. Самой мощной на сегодняшний день считается ветроэлектростанция в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка - в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании. Ее суммарная мощность составляет 5,1 МВт. |