Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
Основные объемы энергоресурсов поставлялись из других стран – России (нефть, газ), Украины (уголь), Польши (уголь). Из потребляемых энергоресурсов только 4,8 млн. т. у т. (11,5%) являлись местными в 2005 году (табл. 1.2.). Таблица 1.2 Потребление РБ местных энергетических ресурсов в 2005 году
Страна обеспечивает свою энергонезависимость, если удельный вес собственных энергоресурсов составляет 25% и более (например, в Германии – 45%, Франции – 45%, Бельгии – 20%, Дании 59%, Швеции – 63%). Для обеспечения энергонезависимости правительством РБ принято ряд программ, которые должны быть завершены к 2010 году и имеют три основных направления: – повышение эффективности использования энергии, – развитие и повышение эффективности использования местных органических топлив, – развитие энергетики на возобновляемых источниках энергии. Кроме того, правительством приняты решения о диверсификации энергоресурсов, т.е. снижение в общем объеме потребления природного газа и мазута за счет увеличения потребления угля и развития собственной атомной энергетики. Технический возможный потенциал местных органических энергоресурсов представлен в таблице 1.3. Рассмотрим насколько целеесообразна утилизация этих ресурсов. Таблица 1.3 Технический возможный потенциал органических энергоресурсов РБ
Разведанные месторождения нефти на территории Беларуси сосредоточены в нефтегазоносной области – Припятской впадине, площадь которой около 30 тыс.кв.км. Изученные запасы нефти весьма ограничены (не более 30 лет.). Исходя из анализа динамики нефтедобычи как в мировой практике, так и в республике после достигнутого максимального уровня ее добычи отмечается резкий спад. Это происходит из-за того, что основные наиболее крупные месторождения нефти, обеспечившие достигнутые уровни добычи, постепенно истощались, а запасы по вновь открываемым небольшим залежам не восполняли объемы извлекаемой нефти. Кроме того, спад усугубляется ростом доли в общем объеме добычи трудноизвлекаемой нефти, добыча которой из недр требует применения новых дорогостоящих технологий. При этом значительно снижается экономическая эффективность ее добычи. Для того чтобы стабилизировать добычу нефти и создать предпосылки ее роста, требуется резко увеличить ресурсно-сырьевую базу путем открытия новых месторождений с запасами, превышающими объемы нефтеизвлечения. В Республике Беларусь перспективными в нефтегазоносном отношении кроме Припятского прогиба являются Оршанская и Подлясско-Брестская впадины. Однако промышленная нефтеносность установлена только в Припятском прогибе. Перспективы Оршанской и Подлясско-Брестской впадин весьма проблематичны и однозначно пока не определены. Так как в прогибе крупные месторождения нефти уже открыты и эксплуатируются, а объективные предпосылки увеличения добычи в настоящее время отсутствуют, то в основу расчета прогнозных показателей добычи положен принцип максимально возможного замедления темпов падения уровня добычи нефти и его стабилизации. В РБ утилизируется брикетный торф ( 80%), а также фрезерный и кусковой. Как и древесина, торф является возобновляющимся минеральным топливом: ежегодный прирост увеличивает запасы 1 га залежи на 1–2 т сухого торфа. Увеличение добычи возможно за счет добычи менее энергоэффективного ( 2 раза) по сравнению с брикетным, кускового торфа. При этом крупные месторождения торфа в республике уже освоены, поэтому увеличение добычи торфа возможно только за счет применения новых технологий при использовании небольших торфяных залежей мобильными торфозаводами. Известно три месторождения бурых углей – Житковичское, Бриневское и Тонежское с общими запасами 151,6 млн.т. и два месторождения сланцев – Туровское и Любанское общими запасами 11 млрд.т. Потенциал бурых углей и, особенно, горючих сланцев в Беларуси очень высок. Однако эти топлива низкоэффективные. Теплота сгорания бурых углей 6,0–6,8 МДж/кг, а сланцев 4,0–6,0 МДж/кг (например, теплота сгорания качественного угля 23,0 МДж/кг). Это обусловлено тем, что бурые угли имеют большую влажность (55–60%), а сланцы большую зольность ( 75%). Разработка угольных месторождений возможна открытым способом, однако в ближайшей перспективе не рекомендована республиканской экологической комиссией, поскольку в результате вынужденного резкого снижения грунтовых вод возможный экологический ущерб из-за гибели лесных угодий, рыбных прудов, снижения урожайности сельхозугодий, запыленности территорий значительно превысит получаемые выгоды. Использование бурых углей и сланцев возможно при осуществлении предварительной термической их обработки. При этом стоимость полученных энергоносителей будет примерно равна мировым ценам на нефть. Технический возможный потенциал возобновляемых источников энергии РБ представлен в таблице 1.4. Таблица 1.4 Технический возможный потенциал органических энергоресурсов РБ
1.3. Особенности использования возобновляемых источников энергии При оценке возможности использования возобновляемых источников энергии, необходимо представлять их принципиальные отличия от традиционных источников. Сравнение источников можно провести по следующим параметрам: регулируемость энергопотока, качество энергии, плотность энергии, воздействие на окружающую среду, безопасность. Регулироемость энергопотока это возможность управления подачи потока в утилизирующую установку. Прежде всего, необходимо понимать, что традиционные топлива (уголь, нефть, газ) являются аккумуляторами солнечной и геотермальной энергии, накопленной в них за миллионы лет. Потребность общества в энергии, как правило, не постоянно во времени. Например, в электроэнергии потребность максимальна утром и вечером, минимальна ночью. Предприятия, использующие традиционные источники энергии, (тепловые электростанции, котельные) могут легко подстраиваться под эти колебания спроса на энергию, регулируя расход топлива. Регулировать же подачу возобновляемых источников энергии (кроме, биотоплива и гидроэнергии) невозможно. Именно по этой причине использование угля, нефти и газа стало традиционной энергетикой в XX веке. Решить проблему регулирования энергопотока могло бы существование мощных аккумуляторов энергии, которые бы накапливали уже преобразованную энергию и выдавали бы ее потребителю по мере необходимости. Однако в настоящее время таких аккумуляторов нет. Под качеством источника энергии понимают долю энергии, которая может быть преобразована в механическую работу. Распространенные и перспективные источники имеют следующие ориентировочные значения этого критерия: тепло сжигаемого топлива 30–45%; электроэнергия 95%; энергия ветра 30%, гидроэнергия 80%; древесная масса 35%; тепловая энергия Солнца 35%; электрическая энергия Солнца 10–5%. Как видно, из возобновляемых источников самая эффективная по этому параметру является гидроэнергия. Плотность энергии это количество производимой энергии на 1 м2 занимаемой энергоустановкой площади. Возобновляемые источники характеризуются низкой плотностью энергии – около 1 кВт/м2. Для невозобновляемых источников она намного выше: для паровых котлов 100 кВт/м2, для ядерных реакторов – 1000 кВт/м2. Из-за низкой плотности энергии, возобновляемые источники перспективнее внедрять в сельской местности, где имеется больше свободных площадей. Воздействие на окружающую среду (механическое и тепловое загрязнение) возобновляемых источников минимально, так как они использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве. По экологическим показателям возобновляемые источники намного эффективнее традиционных топлив. Исключением только может быть несовершенная технология сжигания древесной массы. Однако имеются экологические недостатки и у возобновляемых источников энергии: нарушение естественного ландшафта (гидроэнергетика, ветроэнергетика), нарушение путей миграции птиц (ветроэнергетика), создание электростатических и магнитных полей (ветроэнергетика), занятие сельскохозяйственных площадей (биоэнергетика). Безопасность это уровень процессов и явлений, отрицательно воздействующих на человека. Использование энергии возобновляемых источников намного безопаснее, чем, например, использование энергии органических топлив или радиоактивных элементов. Это обусловлено, прежде всего, низкой плотностью энергии возобновляемых источников. 2. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Солнечные технологии должны стать конкурентоспособными в ближайшие двадцать лет при соответствующей общественной и финансовой поддержке. В настоящее время создано свыше 600 разновидностей солнечных энергетических систем, наибольшее количество которых предназначено для нагрева воды в целях ее использования для хозяйственно-бытовых нужд и теплоснабжения, в частности для обогрева зданий и сооружений. Было бы несправедливым утверждать, что гелиоэнергетика это удел лишь «солнечных» областей земного шара. Республика Беларусь находится в одинаковых условиях солнечной освещенности со Швецией и Финляндией, занимающими ведущие позиции в мировой гелиоэнергетике, а по годовому приходу и интенсивности солнечной радиации значительно выигрывает уАнглии и Западном Германии, лидирующих в Европе по производству солнечных водонагревателей. 2.1. Солнечное излучение 2.1.1. Космическое солнечное излучение Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце примерно 61011 кг водорода превращается в гелий. При этом Солнце уменьшается на G = 4000 кг/c, что согласно формуле Эйштейна приводит к выделению энергии  Дж/с, где с – скорость света. (Полная масса Солнца 21030 кг). При этом в направление Земли движется только 1,21017 Дж/с энергии. Но это в 1600 раз больше энергии, которую потребляют люди на Земле.Излучение характеризуется следующими параметрами: Поток излучения, Q, Дж/с, Вт – величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Плотность потока излучения, E, Вт/м2 – интегральный поток излучения, переносимый через единицу поверхности:  . Интенсивность излучения, I, Вт/(м2мкм) – плотность потока излучения тела для рассматриваемого интервала длин волн d:  .4. Облученность, H, Дж/м2 – поток излучения, падающий на единицу поверхности за определенный промежуток времени dt:  .5. Световой поток, Ф– часть потока излучения, воспринимаемый человеческим глазом (т.е. поток излучения, относимые к видимому диапазону длин волн 0,4 мкм < < 0,7 мкм). Единицей измерения светового потока является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,610– Вт (1 Вт = 217 лм). 6. Освещенность (плотность светового потока), Ec– световой поток, падающий на единицу поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м2. Для белого света 1 лк = 4,610-3 Вт/м2 (1 Вт/м2 = 217 лк). Для потока света от лампы накаливания 1 лк = = 10,710-3 Вт/м2. Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами. Основная часть солнечной энергии испускается в виде коротковолнового электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 0,2–3 мкм (рис. 2.1., кривая 1).  Рис. 2.1. Спектр излучений: 1 – солнечное излучение до атмосферы Земли, 2 – солнечное излучение после атмосферы Земли, 3 – собственное излучение атмосферы Земли. Солнечный спектр до атмосферы Земли можно разделить на три области: ультрафиолетовое излучение ( < 0,4 мкм) – 9% интенсивности излучения; видимое излучение (0,4 мкм < < 0,7 мкм) – 45% интенсивности излучения; инфракрасное излучение ( > 0,7 мкм) – 46% интенсивности излучения. Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела описывается законом Стефана-Больцмана  ,где  Вт/(м2К4) – постоянная Стефана-Больцмана, T – температура абсолютно черного тела.Плотность солнечного излучения до атмосферы Земли на перпендикулярную излучению площадку составляет E* = 1353 Вт/м2 (солнечная константа). 2.1.2. Влияние земной атмосферы на солнечное излучение В процессе прохождения солнечного излучения через атмосферу имеют место различные виды взаимодействия: отражение, рассеяние (изменение направления распространения в зависимости от длины волны), поглощение (переход энергии солнечного излучения в тепло (возбуждение молекул) с последующим излучением света большей длины волны). Отражение. Большую часть солнечного излучения отражают облака, меньшую – снег и лед на поверхности Земли. Плотность оставшегося потока солнечного излучения составляет примерно 1,0 кВт/м2. Рассеяние. Солнечная энергия достигает Земли в виде направленного Епр и рассеянного (диффузного) Eрас лучистых потоков. Рассеивания излучения осуществляется частицами атмосферной пыли, молекулами газов и аэрозолями. Относительное значение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения Е = Eпр + Eрас меняется от 0,9 до нуля в пасмурный день с плотной облачностью. Суммарный годовой поток радиации на горизонтальную площадку в Минске составляет En= 3714 МДж/м2, а рассеянный –  = 8 МДж/м2. Рассеянный поток приблизительно в два раза меньше суммарного. В результате прохождения атмосферы коротковолновое излучение вблизи поверхности Земли (рис. 2.1., кривая 2) можно разделить на следующие области: коротковолновое ультрафиолетовое излучение ( < 0,3 мкм) – 0% интенсивности излучения из-за поглощения молекулами кислорода, озона и их ионами. длинноволновое ультрафиолетовое излучение (0,3 мкм < < 0,4 мкм) – 0,2% интенсивности излучения из-за поглощения молекулами кислорода, озона и их ионами, но достаточное для загара. видимое излучение (0,4 мкм < < 0,7 мкм) – 49% интенсивности излучения. Чистая атмосфера практически полностью пропускает видимое излучение. Однако наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут значительно проглотить данное излучение. коротковолновое инфракрасное излучение (0,7 мкм < < 2,5 мкм) – 50,8% интенсивности излучения. Более 20% солнечной энергии данного излучения поглощается парами и диоксидом углерода СО2. длинноволновое инфракрасное излучение ( > 2,5 мкм) – 0% интенсивности излучения. В этой области спектра излучения атмосфера практически непрозрачна. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса, которая определяется по формуле  ,где р – атмосферное давление, Па; р0 –нормальное атмосферное давление, 1,013105 Па; – угол между потоком излучения и нормалью к поверхности приемника. Тогда плотность излучения определяется, как  , где  кВт/м2 – солнечная константа.Поглощение. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, аэрозолями и оксидом углерода, а также поглощения ультрафиолетового излучения молекулами кислорода, озона и их ионами. Поглощение в атмосфере приводит к повышению температуры, при этом происходит переизлучение электромагнитного потока атмосферой в длинноволновой области от 5 до 25 мкм (рис. 2.1., кривая 3). Следовательно, общее излучение, падающее на землю можно разделить на три составляющие – коротковолновое прямое, коротковолновое рассеянное и длинноволновое:  .Согласно закону Планка интенсивность излучения в зависимости от температуры и длины волны имеет вид:  .При этом согласно закона Вина, спектральная плотность потока излучения имеет максимум на определенной длине волны, которая связана с температурой тела Т  .Для солнечного излучения  мкм (температура Солнца примерно 5800 К), а для атмосферного излучения  мкм (температура атмосферы примерно 250 К).Энергия фотонов излучения с длиной волны λ определяется из соотношения  , где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с; c – скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с; λ – длина волны, мкм. Из общего количества поступающего на Землю солнечного излучения около 27% вовлекаются в процесс кругооборота воды в природе (т.е. на испарение воды), около 0,2% идет на образование воздушных потоков и океанических течений и только 0,02% захватывается растениями для биологического роста. |