Генерации на основе возобновляемых источников энергии

Возобновляемая энергия — это энергия естественных природных процессов, происходящих на нашей планете постоянно или периодически. К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся энергия солнечного излучения, поступающая на Землю, энергия воздушных и водных потоков, волн, приливов, геотермальная энергия, энергия, содержащаяся в биомассе растительного и животного происхождения, рассеянное тепло окружающей среды. Солнечная энергия является первопричиной и источником для таких видов ВИЭ как энергия ветра, водных потоков, волн, энергия биомассы и рассеянного тепла окружающей среды. Геотермальная энергия является следствием процессов, происходящих в ядре Земли, а приливная — гравитационных явлений.

Разные виды ВИЭ имеют существенно отличающиеся физическую сущность и характеристики. Однако многие из них обладают некоторыми общими чертами. Так, естественная природная плотность (удельная мощность) потоков возобновляемой энергии невелика, что заставляет применять большие площади установок на ВИЭ для «перехвата» этих потоков (приемные поверхности солнечных установок, площадь, ометаемая ветроколесом, поле скважин геотермальной электростанции и т. п.). Например, плотность потока солнечной радиации у земной поверхности не превышает 1 кВт/м2, плотность энергии ветрового потока при скорости 10 и 5 м/с составляет соответственно 0,61 и 0,08 кВт/м2. Большая площадь установок на ВИЭ приводит к повышенной материалоемкости и соответственно к высокой стоимости установленной мощности по сравнению с традиционными топливными энергоустановками. С другой стороны, отсутствие топливной составляющей существенно снижает эксплуатационные затраты.

Другой особенностью многих видов ВИЭ является их изменчивость во времени. Это либо закономерные изменения мощности потока энергии данного вида ВИЭ (приливная энергия), либо в основном случайные (ветер), либо закономерные изменения с наложением на них случайного фактора (солнечная энергия). Применительно к электроэнергетике это означает, что ветровые, солнечные и в значительной мере приливные электростанции, замещая выработку электроэнергии на традиционных электростанциях, не замещают мощности и поэтому не участвуют в балансе мощностей. Указанного недостатка лишены геотермальные электростанции (ГеоТЭС), которые участвуют в балансе мощностей и могут быть системообразующими. Энергоустановки на биомассе также могут работать стабильно, если поступление исходного сырья не носит сезонного характера.

Общим свойством всех видов ВИЭ являются их существенно более благоприятные экологические характеристики по сравнению с топливными энергоустановками. Физическую природу и соответственно технологии преобразования различных видов ВИЭ целесообразно рассматривать раздельно, так как они имеют существенные различия.

Солнечная энергия

Ресурсы солнечной энергии превышают мировое энергопотребление в 104 раз. Они существенно больше, чем ресурсы всех других видов ВИЭ вместе взятых. Солнечная энергия обладает абсолютной экологической чистотой. Поэтому этот источник энергии потенциально способен решить для человечества на сколь угодно долгую перспективу задачи обеспечения энергией, пищей, а также сохранения на нашей планете естественной природной среды. Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с высоким КПД (50−60%) с помощью относительно простых технических средств; использование солнечного излучения для производства тепла (главным образом для нагрева воды) получило в мировой практике наибольшее распространение. Однако в настоящее время использование солнечной энергии имеет пока ограниченные масштабы. Годовое производство тепла за счет солнечной энергии составляет в мире 77 • 109 кВт-ч (тепловых).

Основным видом оборудования для установок и систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения является так называемый плоский солнечный коллектор, представляющий собой плоский короб, остекленный с лицевой стороны и теплоизолированный с тыльной. В нем расположена поглощающая зачерненная металлическая панель с каналами для теплоносителя. Помимо жидкостных солнечных коллекторов для нагрева жидкости (главным образом воды) применяются также воздушные коллекторы для нагрева воздуха.

Более перспективным является производство электроэнергии за счет солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов), в которых происходит прямое преобразование световых квантов в электроэнергию. Первые более или менее эффективные солнечные элементы (КПД 6−8%) на основе кремния были созданы около полувека назад и сразу нашли применение в космической технике. Позднее началось и их наземное применение. В настоящее время КПД монокристаллических кремниевых элементов составляет 14−18% при стоимости 4-6 долл. США/Вт. Суммарное мировое годовое производство солнечных элементов разных типов, среди которых кремниевые элементы составляют не менее 90%, достигает 1,2 • 10б кВт. Ежегодный прирост объема производства выражается десятками процентов. Сегодня в мире суммарная установленная мощность энергоустановок на основе фотопреобразователей составляет 4 • 106 кВт, из них автономные установки — 2,2 •106 кВт и сетевые — 1,8 • 106 кВт.

Очевидно, что солнечная энергетика наиболее эффективна в районах, обладающих наиболее благоприятным «солнечным климатом», к которым относятся страны тропического и субтропического поясов. Россия в целом, вследствие своего общего северного географического положения, к ним не относится. Тем не менее в нашей стране имеются обширные регионы, в которых среднее годовое поступление солнечной радиации к земной поверхности превышает 1300−1400 кВт•ч/м2, что весьма благоприятно для использования солнечной энергии. К таким районам относятся Южный федеральный округ, южное Забайкалье, юг Хабаровского края, Приморье и некоторые другие районы. Помимо климатических, Россия имеет и научно-технические и производственные предпосылки для развития солнечной энергетики. В стране имеется промышленное производство основных видов оборудования для использования солнечной энергии — фотоэлектрических преобразователей и солнечных коллекторов.