Солнечная энергия — возобновляемая энергия мирового значения
Осадчий Г.Б., инженер
К сожалению, в мире продолжается экстенсивное ведение энергетического хозяйства. Проблема энергосбережения остро стоит во всех без исключения странах мира. Глобализация мировой экономики неуклонно возрастает. Приоритетным становится межгосударственная торговля, а, следовательно, и разделение труда и связанные с этим возрастающие расходы органического топлива на обеспечение производства в странах с более дешевой рабочей силой, продвижения товаров, услуг и рабочей силы на мировой рынок.
Сегодня ежегодно мир потребляет столько углерода (органического топлива из земли), сколько Природа накапливала там — 8 млн лет. При этом на 1 $ инвестиций в новое освоение углеводородного сырья приходится 2 – 4 м2 нарушенных земель, восстановление которых обходится в 2 – 8 $/м2.
Это негативно сказывается на экологической ситуации в целом, особенно в густонаселенных регионах, пропорционально количеству используемого органического топлива, поскольку «ни один живой вид не может существовать в среде, состоящей из своих отбросов».
Энергетика, базирующаяся на сжигании углеводородного сырья, обеспечивая развитие цивилизации, получает много миллиардные прибыли за счет истощения природных запасов и нарушения здоровья населения Земли.
Расширение использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) происходит потому, что в целом общее количество тепловой энергии, высокого потенциала, на нашей планете, мало. Поверхности Земли и вод в большинстве своем содержат большие запасы низкопотенциальной теплоты с температурой до + 30 ⁰С (рис. 1), однако объемы использования её человеком ограничиваются физическими законами [1].
Рисунок 1. Характер распределения тепловой энергии (W) по температурной шкале.
І — энергия мирового океана и земной поверхности; ІІ — область тепловых потерь хозяйственной деятельности человека, а также энергия низкотемпературных природных источников (солнечной, геотермальной и др.); ІІІ — область традиционного эффективного преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергии
Если рассматривать рисунок 1 ограничиваясь тепловыми процессами, происходящими в техносфере, то переход энергии, полученной из ТЭР, из одной области в другую будет следующим.
Переход энергии из области III в область II совершается, как правило, с выработкой механической и электрической энергий, или выполнением требуемого технологического передела. А из области II в область I из-за разобщенности производств, использующих тепловую энергию высокого и низкого потенциалов (температур).
Ненадлежащее использование энергии области II, в частности для выработки механической и электрической энергии приводит к необходимости постоянного восполнения области ІІІ энергией, в основном за счет сжигания топлива. Утвердившийся сегодня рост производства энергии приводит к увеличению областей по вертикали, и картина теплового баланса нестабильна во времени.
Поэтому возобновляемые и вторичные ТЭР (технологии на их базе) должны занять свое место в областях ІІ и І, характеризующие потери. Это могут быть «тепловые отходы — вторичные ТЭР» различных отраслей промышленного производства, а также возобновляемые ТЭР — солнечная и геотермальная энергии, которые используются в недостаточном масштабе.
Для эффективного использования энергии областей ІІ и І, нужны новые технологические подходы, технические идеи и нетрадиционные решения.
В качестве первого шага в этом направлении автором предлагаются новые способы прямого использования энергии области ІІ.
В качестве второго шага предлагается осуществлять преобразование низкотемпературной тепловой энергии областей ІІ и І, посредством термодинамического цикла вначале в энергию потока жидкости, затем в механическую энергию, или сразу в механическую энергию, которую в дальнейшем можно преобразовать в поток хладагента или электроэнергию.
Температурный интервал области ІІ, практически не пригодный для современных водяных паровых турбин, находится в диапазоне + 40 – + 115 ⁰С. А объем энергии этой области в общем тепловом балансе составляет примерно 50 – 60 % от генерируемой исходной энергии.
При разработке технологий использования энергии областей ІІ и І необходимо принимать во внимание следующие теплотехнические и конструктивные особенности будущих низкотемпературных тепловых машин:
• понижение нижней температурной границы термодинамического цикла обеспечивает рост его КПД значительно больше, чем повышение температуры верхней границы термодинамического цикла, на ту же величину;
• способы преобразования тепловой энергии, «обреченной» реализуемыми сегодня генерирующими технологиями на дальнейшее рассеивание, и соответствующие технические средства должны быть предельно простыми для удешевления 1 кВт∙ч вырабатываемой энергии.
Температурный интервал области І, практически не пригодный для прямого теплоснабжения находится в диапазоне 0 – +40 ⁰С. Однако все тепло этой области можно использовать для организации теплоснабжения тепловым насосом. А низкотемпературное тепло этой области можно использовать для понижения нижней температурной границы термодинамического цикла тепловой машины, в том числе ниже 0 ⁰С.
Исходя из изложенного, необходимо изыскивать дополнительные источники энергии и технологии их преобразования. Сегодня уже очевидно, что масштабную экономию ТЭР можно обеспечить только за счет новых технологий и энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В наше время обеспечение надлежащим энергоснабжением даже небольшого города входит в противоречие с жизненно важной потребностью каждого отдельного человека в здоровой (чистой) окружающей среде, и в независимости от центральных источников энергии, а это — электричество, тепло и газ, которая вполне реальна, но порой слишком дорога.
Почему важна именно автономность дома, коттеджа или имения, а не поселения или поселка в целом?
Ответ один. Для поселения надо создать целый комплекс по выработке, аккумулированию и распределению различных видов энергии, как в виде гарантированного минимума, так и по потребности, если другие потребители в этот период времени не нуждаются в ней. А у населения различные доходы.
Все эти сложности относятся и к безопасности поселения в целом. Провести электричество, означает вложить существенные средства в ЛЭП, которые по истечении 15 – 20 лет обветшают и не раз оборвутся во время сильного ветра и гололеда. И, наконец, не всем жителям понадобится централизованная электроэнергия. Найдутся и такие поселенцы, которые захотят, и найдут возможность, после двух-трех порывов, обходиться без него.
При месячном потреблении индивидуального дома 400 кВт∙ч электроэнергии установленная мощность источника должна быть всего 533 Вт. Однако если возьмем новогодние праздники, то на это время максимальная мощность источника электропитания должна быть порядка 4 кВт.
В реальной жизни потребность в таком источнике бывает пять-шесть раз в год, на праздники, в основном семейные. Однако для их удовлетворения нужен источник мощностью 1,5 кВт, поскольку, когда пришли гости то никто не пылесосит, не гладит, а тем более не работает электроинструментом. Источники примерно такой мощности и используют владельцы частных домов. Вышеприведенные цифры позволяют говорить о том, что необходим традиционный источник энергии около 0,8 кВт и аккумулятор. Причем часто можно и дальше уменьшать мощность источника электроэнергии, но необходимо в этом случае увеличивать емкость аккумуляторов. При этом, будучи «индивидуальным», этот несложный комплекс может оказаться более безопасным и безотказнее, чем накопитель энергии в масштабе поселка.
Такое компоновочное решение уже применяют многие владельцы домов, где не подведено электричество — относительно популярное и недорогое для автономного электроснабжения. В качестве источника электроэнергии используется ДВС с электрогенератором. Он работает 3 – 4 часа в сутки, обеспечивая электроэнергией, жилой дом в период наибольшего её потребления и заряжает аккумуляторы. Остальное время домашние электроприборы питаются от аккумуляторов. К этой системе можно подключить и ФЭС, и ВЭС, которые будут заряжать аккумуляторы. Летом солнечные водонагреватели позволят уменьшить потребности в обычном нагревании воды до 70 % и снизить потребление топлива до 30 %.
При производстве электроэнергии от ВИЭ, с использованием свинцово-кислотных батарей, как аккумуляторов имеет свои «особенности». Батареи хотя и тяжелы, но, как считается некоторыми, недороги — 50 $/кВт∙ч запасенной электроэнергии. Однако такое мнение является спорным.
У каждого из перечисленных выше устройств, конечно, есть свои недостатки. Но вместе они могут удачно дополнить и компенсировать «слабые места» друг друга. Например, в безоблачную погоду скорость ветра не велика. А в пасмурные дни ветер сильный, порывистый, со скоростью не менее 7 – 8 м/с. Поэтому необходимо все эти источники электроэнергии использовать вместе, тогда повышается надежность электропитания [2].
Исходя, из этого давно назрела необходимость заняться универсальными технологиями бесперебойного энергоснабжения наиболее мелких и незащищенных в этом вопросе слоев населения. Тем более что в мире промышленностью используется только около 5 % тепла, и до 20 % электроэнергии, и поэтому часто концентрация мощных станций на ограниченных территориях не всегда оправдывает себя.
Человечество вышло на очень ответственный рубеж в своей истории, требующей наряду с изменением демографической ситуации и смены парадигмы экономики – образа её структуры и функционирования. Необходим переход на новую ступень материальной культуры, совместимой с уже оскудевшим природным потенциалом планеты [3].
Если мировым сообществом принято, что нефть — это энергоноситель мирового масштаба (из-за универсальности), газ — регионального, а уголь — местного, то также необходимо подойти к классификации ВИЭ.
К ВИЭ мирового значения следует отнести солнечную энергию, к регионального значения — ветровую энергию, а геотермальное тепло, энергии морей и океанов — к возобновляемым ТЭР местного значения. И не так уж важно, что технологии преобразования энергии Солнца сегодня находятся в начальной стадии коммерческого использования.
В связи с этим, на сегодняшнем этапе из возобновляемых и вторичных ТЭР автором предлагается использовать солнечную энергию и теплоту неиспользованную в термодинамических циклах для разнообразного бесперебойного энергообеспечения.
Эти технические решения (технологии) призваны стать гарантом экологической и энергетической безопасности, и призваны обеспечить выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рисунок 2).
Рисунок 2 – Составные элементы предлагаемой для средней полосы России солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда
Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (в соответствии с рисунком 2) технологии использования возобновляемых (солнечной энергии) и вторичных ТЭР, призваны:
• обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;
• обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;
• поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).
Вы можете разместить новость, статью или другой материал на нашем сайте: обращайтесь!
Также разрешается републикация материалов с обязательным указанием активной прямой ссылки на наш сайт.
Расширение использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) происходит потому, что в целом общее количество тепловой энергии, высокого потенциала, на нашей планете, мало. Поверхности Земли и вод в большинстве своем содержат большие запасы низкопотенциальной теплоты с температурой до + 30 ⁰С (рис. 1), однако объемы использования её человеком ограничиваются физическими законами [1].