Содержание
Введение 3
Глава I. Возобновляемые источники энергии 4
Глава II. Виды возобновляемых источников энергии 6
Глава III. Использование электрических машин в ВИЭ 10
Заключение 18
Список использованных источников 19
ВВЕДЕНИЕ
Среди самых главных тенденций мировой экономики выделяется политика энергетических и финансовых корпораций, ориентированная на возобновляемые источники энергии. Это вызвано несколькими факторами. Во-первых, в начале 2000-х годов многие ученые отметили факт глобального потепления климата, ставшего прямым следствием воздействия антропогенных факторов (конечно, здесь есть и влияние астрономических явлений). Во-вторых, изменения в мировой экономике ясно дали понять, что переход на возобновляемую энергию принесет однозначную смену в финансировании энергетической промышленности, что также должно повлиять на политику других экономических сфер. В-третьих, такой переход теоретически позволит совершить переход к новыми экономическим моделям, которые должны обязательно использовать все новейшие достижения научно-технического прогресса (однако, здесь есть проблема касательно того, что такой переход потребует значительных финансовых вкладов).
Таким образом, переход на возобновляемые источники энергии является достаточно интересной темой для представителей всех сфер любого цивилизованного государства, так как он затрагивает все отрасли мировой экономики. В связи с этим, в данной работе мы попытаемся не только рассмотреть тему о возобновляемых источниках энергии, но и сделать это более подробно, сосредоточившись на теме их эксплуатации с помощью электрических машин. Целью данной работы является получение ясного представления о выбранное теме. В качестве метода выполнения данной работы будем использовать анализ современной технической литературы, научных работ и тематических Интернет-ресурсов.
Глава I. Возобновляемые источники энергии
Во всем мире переход на возобновляемые источники энергии осуществляется крайне неравномерно. К примеру, доля электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников на территории стран Евросоюза в период с 2004 по 2013 гг. выросла с 14% до 25%. В 2018 году в Германии доля электроэнергии, вырабатываемая из возобновляемых источников, составляла 38% от общей [URL: 5]. В Дании доля использования ВИЭ в 2000 году составляла 10%, тогда как в Нидерландах было только 3% (планируется повышение до 10% только к 2020 году). Согласно данным Министерства энергетики США, к 2020 году объем производства электроэнергии на базе ВИЭ возрастет с 11% до 22%. В России же до сих пор преобладает использование не возобновляемых ресурсов, так как ее экономика во многом построена именно на нефтегазовой промышленности, а переход на ВИЭ достаточно невыгоден в силу ряда причин. Всего запас ВИЭ в России оценивается в 270 млн. т.у.т (тонн условного топлива), с разным процентным составом по видам источников, однако инвесторов прежде всего привлекает промышленность на использовании солнечной энергии. ВИЭ в России составляют около 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов, что создает благоприятную ситуацию для дальнейшего развития этой отрасли.
Однако для всех развитых стран переход к возобновляемых источникам энергии сопровождается рядом проблем: прежде всего отмечается, что такой переход всегда рассматривался исключительно как долгий процесс и не был рассчитан заранее на резкий скачок. К тому же, это требует наличия обязательной развитой политической системы государства и эффективной экономики, без которой такой дорогостоящий и трудоемкий проект будет невозможно реализовать.
Во многих странах, в том числе в России, немаловажной проблемой остается высокая стоимость научно-технических разработок, затрат на их создание и производство, а также закупку иностранного оборудования. В России имеются большие территории и районы для благоприятного использования ВИЭ в энергетической промышленности, однако, проблемы здесь несколько иного характера, связанные с финансированием и состоянием нестабильной экономики. Можно сказать, что в России обстановка для развития промышленности на ВИЭ достаточно благоприятна. Также стоит отметить, что здесь немаловажна ставка на создание собственной научно-технической базы, что обеспечит независимость собственного развития энергетической промышленности [8, С. 10].
Однако, несмотря на это, другие исследования говорят о том, что постепенно появляются новые способы производства возобновляемой энергии, что означает неминуем рост конкуренции на рынке ВИЭ. Стоимость выработки солнечной (фотоэлектрической) энергии за несколько лет значительно снизилась. Возрастает роль Китая на рынке ВИЭ, который находится сейчас уже на первом месте по количеству инвестицией в возобновляемую энергетику (в 2009 году правительство Кита вложила в ВИЭ 34,6 млрд. долларов США).
Среди мировых проектов следует привести данные и исследования Гринпис. Его исследования говорят, что к 2030 году возобновляемые источники энергии будут удовлетворять 40% мирового спроса на энергию, а к 2050 году уже от 40% до 100% мирового спроса. Ветровая и солнечная энергетика являются лидерами по развитию среди других отраслей энергетики, показывая ежегодный прирост в 30% – 35% [URL: 1].
Глава II. Виды возобновляемых источников энергии
1. Ветроэнергетика
Эта отрасль энергетики является одной из самых популярных и быстроразвивающихся во всем мире, преимущественно в островных государствах и в странах с большой протяженностью береговой линии или со значительными перепадами высот рельефа. В начале 2016 года суммарная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта [4, С. 2], что выше суммарной мощности всей атомной энергетики. В 2014 году количество энергии, произведенной всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераватт-часов (3% всей произведенной человечеством энергии). Наибольшее распространение на данный момент (2019 г.) ветроэнергетика получила в Западной и Северной Европе [URL: 7], а также в Китае, где с 2006 года в связи с плохой экологической ситуацией в стране действует закон о возобновляемых источниках энергии (так называемый Национальный план, подразумевающий увеличение доли выработки электроэнергии из ВИЭ).
Ветроэнергетика работает по принципу преобразования кинетической энергии воздушных масс в другие виды энергии, обычно в электрическую, механическую или тепловую, в зависимости от потребностей. Для получения энергии применяется ветрогенератор (вырабатывает электрическую энергию), ветряная мельница (создает механическую энергию, см. рисунок 1), парус (используется в транспорте) или другое оборудование. Сама ветроэнергетика имеет долгую историю: первые ветряные мельницы использовались еще в III в. до н.э. в Персии. Также их использовали в арабских странах, откуда они распространились по Европе во время Крестовых походов. Ветряные мельницы, использующие электричество, были изобретены в XIX веке, в Дании.
Рисунок 1 — Современные ветряные мельницы
Этот вид производства энергии очень экологичен, а сама ветряная энергия практически неисчерпаема. Однако здесь еще есть ряд проблем, связанных с дорогостоящим строительством и местом расположением оборудования, которое очень требовательно к постоянным непрекращающимся ветряным потокам, что не всегда осуществимо на практике. Однако последняя проблема разрешима использованием интеллектуальной системы распределением электроэнергии по системам ветряных электростанций.
Среди других проблем называется обратное воздействие ветрогенераторов на климат, так как они перенимают часть кинетической энергии воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. Существует проблема с довольно высоким уровнем шума, издаваемого ветрогенераторами — ее устранением должны заниматься квалифицированные инженеры. Ветрогенераторы следует удалять подальше от жилых и спальных районов. В целом, если проанализировать пользу и вред от ветроэнергетики, то положительных факторов будет гораздо больше при условии, если план введения ветровой энергетики в систему страну будет осуществлен с учетом связи с другими сферами государства и потребностями жителей страны.
2. Гидроэнергетика
Отрасль энергетики, использующая для переработки энергии движущегося водяного потока в электрическую энергию. Как правило, и чаще всего, это реализуется с помощью гидроэлектростанций (рисунок 2).
Рисунок 2 — Гидроэлектростанция
В 2015 году гидроэнергетика вырабатывала 16,6% мировой электроэнергии и 70% возобновляемой энергии. Лидером по использованию гидроэлектроэнергии является Исландия и страны Юго-Восточной Азии (прежде всего Китай), где вырабатывается 33% гидроэлектроэнергии в мире (по состоянию на 2013 г.). Среди других стран, активно использующих гидроэлектроэнергию, является Норвегия (98% в суммарной выработке энергии), Швеция, Канада и Парагвай (последняя страна производит 100%-ю выработку энергии на гидроэлектростанциях).
Этот вид возобновляемой энергии также очень экологичен и дает производство достаточно дешевой электроэнергии. Среди недостатков — требует обязательного наличия больших запасов водных ресурсов и наносит некоторый вред экосистеме местных рек и водоемов. Также строительство ГЭС обычно требует больших финансовых средств.
3. Солнечная энергетика
Это вид энергетики, основанный на использовании солнечной энергии для ее дальнейшей переработки в другой вид энергии, обычно в электричество. Солнечная энергетика, как и ветряная энергетика, в настоящее время являются самыми популярными в использовании, быстрорастущими и вызывающими большой интерес среди многих корпораций и инвесторов, даже не связанных напрямую с энергетикой. Эта отрасль энергетики более распространена в странах Евросоюза (лидер — Германия), в Китае и в США [URL: 6]. Саудовская Аравия также проявляет интерес к солнечной энергетике, предлагая проект о строительстве крупнейшей в мире солнечной электростанции мощностью 200 ГВт.
4. Другие виды
Прежде всего, это технологии переработки энергии волн, энергии приливов и отливов, энергии температурного градиента морской волны (за счет разницы температур на поверхности и глубине океана) [7, С. 277-279], геотермальная энергия [8, С. 69], энергия от биотоплива и некоторые другие.
Таким образом, в настоящее время существует множество видов возобновляемых источников энергии. Однако, самыми популярными отраслями ВИЭ является ветроэнергетика, гидроэнергетика и солнечная энергетика, так как они вырабатывают гораздо больше энергии, чем другие виды возобновляемой энергии. Тем не менее, многие ученые и крупные компании проявляют интерес к новым ВИЭ.
Глава III. Использование электрических машин в ВИЭ
1. Ветрогенератор
Ветрогенераторы делятся на три типа: промышленные, коммерческие и бытовые. Мощность ветрогенератора напрямую зависит от скорости воздушного потока (N), которая определяется скоростью ветра и площадью лопасти (см. формула 1).
N=pSV3, (1)
где: V — скорость ветра;
p — плотность воздуха;
S — площадь лопасти.
Ветрогенератор состоит из ветротурбины (которая устанавливается на мачте с растяжками и раскручивается движением ротора или лопастей) и электрогенератора (преобразующего кинетическую энергию вращения ротора в электрическую). Полученное электричество поступает в контролер заряда аккумулятора, (который подключается к самому аккумулятору), а также в инвертор, который подключен к электросети и отвечает за преобразования постоянного тока в переменный, а затем передается в сеть ЛЭП.
Среди генераторов преобладают кольцевые, заменившие устаревшие синхронные. В них ротор турбины соединен с хабом и также выполняет функцию ротора генератора. Для вращения турбины башни используется асинхронный двигатель, который соединяется зубчатой передачей с кольцом у основания гондолы (обычно это один или три двигателя в зависимости от размера и мощности всей установки) [4, С. 2].
Сама ветровая установка представляет собой башню, внутри которой идет лестница наверх к гондоле, в которой располагается электрооборудование и которое соединено с лопастями винта. У основания башни расположен силовой шкаф, в котором находятся силовые контакторы и цепи управления. Сама установка располагается на крепком фундаменте. Схема ветрогенератора приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 — Схема ветрогенератора
В установке ветрогенератора обязательно присутствует тормозная система, трансмиссия, система изменения угла атаки лопасти, обтекатель, система пожаротушения, телекоммуникационная система для передачи данных о работе установки, молниезащита и привод питча.
Сами ветротурбины делятся на несколько типов:
1) с вертикальной осью вращения (роторные);
2) с горизонтальной осью круглого вращения (кральчатые);
3) барабанные и роторные ветротурбины [4, С. 173].
Преобладает использование трех лопастей, что обеспечивает компромисс между величиной крутящего момента (которая увеличивается при возрастании числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей).
Также следует отметить, что помимо промышленного применения набирают популярность домашние ветрогенераторы. Их стоимость относительно низкая, однако работают они достаточно эффективно и способны обеспечить электроэнергией небольшой коттедж при номинальной мощности 0,8 кВт. Также возможно для получения большей энергии совместить ветряную энергию с солнечной [URL: 2].
Среди новых ветрогенераторов существуют плавающие ветрогенераторы, разрабатываемые норвежскими компаниями [URL: 1].
2. Гидрогенератор
Это устройство состоит из электрического генератора и гидротурбины, которая выполняет роль механического привода (также называется «турбинный генератор») [10, С. 198]. Он представляет собой синхронную электрическую машину вертикального исполнения, которая вращается от действия гидротурбины, однако, существуют и генераторы горизонтального исполнения (в том числе капсульные гидрогенераторы). Для каждой гидроэлектростанции проектируется особый гидрогенератор, что зависит от конкретных условий работы станции, напора и расхода воды, природных условий расположения и т.д. Они имеют относительно малую частоту вращения (около 600 об/мин) и большой диаметр (до 20 м), в связи с чем преобладают гидрогенераторы вертикального исполнения, так как горизонтальное расположение не обеспечивает механическую прочность конструкции и жесткость ее отдельных элементов. Мощность гидрогенераторов варьируется от 4 до 720 МВт, диапазон напряжения составляет от 3,15 до 18 кВ. На крупных ГЭС, как правило, применяются синхронные трехфазные гидрогенераторы. Основным параметрами [1, С. 1] является активная (номинальная) мощность ( ) и полная (кажущаяся, см. формула 2).
S=N_ген/cosφ=√3 UI (2)
где U — напряжение;
I — сила тока;
— номинальная мощность;
cos φ— коэффициент мощности.
Вертикальные генераторы состоят из следующих элементов: статор, ротор, верхняя и нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, принимающий вертикальную нагрузку о вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины).
Помимо этого, существуют подвесные гидрогенераторы и зонтичные. Есть и гидроаккумулирующие электростанции, которые как вырабатывают, так и потребляют электрическую энергии. Горизонтальные капсульные гидрогенераторы являются частью герметичной капсулы, в которой также имеется в наличии гидротурбина и система обеспечения. Сама капсула размещается в проточной части гидроэлектростанции.
Как и ветрогенераторы, существуют и более компактные гидрогенераторы, предназначенные для частного применения. Изображение промышленного гидрогенератора приведено на рисунке 4.
Рисунок 4 — Промышленный гидрогенератор
3. Солнечная батарея
Представляет собой объединение множества фотоэлектрических преобразователей (или фотоэлементов), которые преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Бывают разного размера и назначения. Они были изобретены еще в конце XIX века, но получили широкое распространение в начале XXI века, став основой гелиоэнергетики.
Сами фотоэлементы делятся по типам: монокристаллические, поликристаллические, аморфные и пр. В настоящее время идут исследования и разработки новых панелей фотоэлементов с использованием кристаллов различных материалов (германия, галлия, кремния и др.). Рассматриваются технологии использования наноантенн, которые показывают высокий КПД (до 85%) [10, С. 561–589].
Технология использования солнечных батарей очень популярна и перспективна, однако требует решения ряда проблем. К примеру, многие фотоэлементы содержат ядовитые вещества, такие как мышьяк, кадмий, свинец, галлий и др., которые при нагревании попадают в воздух, нанося вред здоровью [6, С. 2]. К тому же, эта технология требует постоянной ясной погоды, то есть ее нельзя использовать постоянно в местах, где ясная погода длиться недолго. Устранить вредность от фотоэлементов можно использованием бес свинцовых полупроводников на основе висмута и сурьмы, которые относительно безвредны [URL: 3]. Также безопасна технология, разработанная испанскими учеными — фотоэлектрический элемент из кремния, перерабатывающий инфракрасное солнечное излучение в электрическую энергию.
Сама панель состоит из нескольких фотоэлектрических элементов, объединенных в солнечную батарею (обычно их число кратно 36). В систему также входи аккумулятор (или несколько аккумуляторов), инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 Вольт в 220 Вольт), контролер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и передачи питания в сеть. Краткая схема работы солнечной батареи изображена на рисунке 5.
Рисунок 5 — Использование солнечной энергии
По назначению солнечные батареи подразделяются на батареи малой мощности (до 10 Ватт, используются в мобильных устройствах и внешних портативных аккумуляторах power bank). Более крупные солнечные батареи, как правило, располагаются на крышах домов и служат для их электрификации.
В основе солнечной батареи расположен кристалл кремния (оксид кремния) в виде тонкой пластины толщиной 200 микрон. На него наносится слой бора с одной стороны, и слой фосфора с другой стороны. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне наоборот, на контакте с фосфором недостает электронов, где образуются «дырки». Сама стыковка границ с избыточным количеством электронов и их недостатком называется p-n переход [URL: 3] (рис. 6).
Рисунок 6 — Принцип работы фотоэлемента
Когда на фотоэлементы батареи попадают фотоны, они выбивают избыточные электроны (на границе с фосфором), а те начинают перемещаться к «дыркам» (на границе с бором). Из-за этого появляется электрический ток, то есть упорядоченное движение электронов. К фотоэлементу подводятся металлические дорожки, через которые забирается появившийся ток.
Один фотоэлектрический элемент обладает очень малой мощностью, а его напряжение составляет всего примерно 0,5 Вольта. Следовательно, чтобы получить напряжение 18 Вольт, объединяют 36 панелей (что достаточно для зарядки аккумулятора 12 Вольт). Далее, батарея помещается в подложку, остекляется и герметизируется. Стекло должно пропускать ультрафиолетовое излучение, так как батарея получает именно его для выработки электричества. При дальнейшем увеличения площади панелей, они могут объединяться, что суммарно увеличивает мощность всей установки (используется для строительства солнечных электростанций) [URL: 3].
4. Солнечный коллектор
В отличие от солнечной батареи, это устройство предназначено для сбора тепловой энергии солнца и использования его в первую очередь для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений [URL:4]. Принцип его работы состоит в том, что циркулирующий в коллекторе теплоноситель (обычно вода) нагревается солнечными лучами, который передается в бак с водой, что используется для нагрева воды или для системы отопления.
Заключение
Возобновляемые источники энергии набирают большую популярность во всем мире. В первую очередь, это вызвано их экологичностью и интересом со стороны инвесторов, связанных с другими отраслями науки и техники, в том числе вычислительной (корпорация Apple в настоящее время является крупнейшим в мире владельцем солнечных электростанций и вместе с Google активно использует ВИЭ для работы своих дата-центров, поддерживая такой подход у других компаний). Применение возобновляемых источников энергии имеет разную концентрацию в зависимости от регионов мира и особенностей внутренней и внешней политики государств и зависит от множества факторов. Многое оборудование, работающее на ВИЭ, применяет технические новшества, в том числе сложные электрические устройства. В настоящее время необходимо знать принципы новейшего оборудования, которое составляет основу технологий ВИЭ. Это важно и потому, что тенденции в развитии и применении ВИЭ будут работать на основе самого передового оборудования.
В данной работе мы рассмотрели тему о возобновляемых источниках энергии и изучили принципы некоторого электрического оборудования, работающего в этой отрасли. Также мы проанализировали мировую ситуацию на рынке ВИЭ, их распространение в разных развитых странах и выявили некоторые проблемы в этой области.
Список использованных источников
Опубликованные
а) Законодательные материалы:
1. ГОСТ 5616-89. Генераторы и генераторы-двигатели электрические гидротурбинные. [Электронный ресурс] – URL: http://gostexpert.ru/gost/gost-5616-89/ (дата обращения: 24.10.2019).
2. Постановление Правительства РФ от 17.02.2014 N 117 (ред. от 23.01.2015). "О некоторых вопросах, связанных с сертификацией объемов электрической энергии, производимой на основе использования возобновляемых источников энергии на квалифицированных генерирующих объектах". // «Консультант Плюс»: информационно-правовая система. URL: http://www.consultant.ru/law/podborki/vozobnovlyaemye_istochniki_jenergii/ (дата обращения: 23.10.2019).
3. Постановление Правительства РФ от 28.05.2013 N 449 (ред. от 27.09.2018).
"О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности". // «Консультант Плюс»: информационно-правовая система. URL: http://www.consultant.ru/law/podborki/vozobnovlyaemye_istochniki_jenergii/ (дата обращения: 23.10.2019).
б) Интернет-ресурсы:
1. Возобновляемые источники энергии. [Электронный ресурс] – URL: http://www.greenpeace.org/russia/ru/campaigns/nuclear/accidents/chernobyl/25yrs/renewable-energy/ (дата обращения: 26.10.2019).
2. Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы. [Электронный ресурс] – URL: http://electricalschool.info/energy/1833-kak-ustroeny-moshhnye-promyshlennye.html (дата обращения: 26.10.2019).
3. Солнечная батарея: устройство и принцип работы. [Электронный ресурс] – URL: https://akbinfo.ru/alternativa/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html (дата обращения: 27.10.2019).
4. Недорогой коллектор для бесплатной энергии. [Электронный ресурс] – URL: http://energyland.info/analitic-show-90573 (дата обращения: 26.10.2019).
5. Global Wind Statistics 2015. [Электронный ресурс] – URL: https://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-PRstats-2015_LR.pdf (дата обращения: 28.10.2019).
6. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy. [Электронный ресурс] – URL: http://www.iea.org/ (дата обращения: 30.10.2019)
7. Wind Power Capacity Worldwide. [Электронный ресурс] – URL: https://wwindea.org/information-2/information/ (дата обращения: 30.10.2019)
Литература:
1. Абрамов А.И. Проектирование гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: Учеб. пособие для вузов / А. И. Абрамов, А. В. Иванов-Смоленский. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2001. — 389 с.
2. Алхасов, А.Б. Возобновляемые источники энергии : учебное пособие / А.Б. Алхасов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. – 216 с.
3. Баженова А.В., Комиссаров С.А. Использование возобновляемых источников энергии на калининградской железной дороге // Молодежный научный форум: технические и математические науки. 2017. № 9 (49). С. 20-25.
4. Билимович Б.Ф. Законы механики в технике / Б.Ф. Билимович. - М.: Изд-во Просвещение, 1975. –173 с.
5. Лапаева О.Ф. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010, Вып. 13. С. 119.
6. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. – Тамбов, 2012. – 215 с.
7. Марухно В.М., Руденко Е.Ю. Использование возобновляемых источников энергии: социально-правовой и экономический аспекты // Власть Закона. 2017. № 2 (30). – С. 203-210.
8. Пиляева О.В. Возобновляемые источники энергии и перспективы развития // Эпоха науки. 2017. № 11. - С. 120-122.
9. Чуенкова И.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - Ставрополь, 2015. – 236 с.
10. Шестакова В.В. Анализ проблемы эффективного использования возобновляемой энергии в качестве автономного источника // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двадцать третья международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 2017. – С. 394.
|
