Альтернативные источники энергии

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для  размещения узлов при монтаже, тяжёлая  подъёмная техника с выносом  стрелы более 50 метров, так как гондолы  устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

• Неправильное устройство фундамента.
• Обледенение лопастей и других частей генератора.
• Удары молний. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
• Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
• Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
• Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.

 

Малые ветрогенераторы

 

К малой ветроэнергетике относятся  установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт  относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах, с/х  фермах для водоснабжения и т. д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения  к общей электрической сети.

Считается, что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости  всей установки (применяется для  преобразования переменного или  постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации  его по фазе с внешней сетью  при работе генератора в параллель))

Высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)

Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют  дизель-генератор, сравнимый по стоимости  со всей установкой.

В настоящее время, несмотря на рост цен  на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств  на фоне других затрат. Ключевым для  потребителя остаётся надёжность и  стабильность электроснабжения.

Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:

Необходимость получения электроэнергии промышленного  качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор)

Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяется аккумуляторы)

Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью  ветрогенераторов не электрической  энергии промышленного качества, а постоянного или переменного  тока (переменной частоты) с последующим  преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.

Схема ветрогенератора и управляющей  автоматики кардинально упрощается.

Схема автоматики может быть в самом  простом случае построена на нескольких тепловых реле.

В качестве аккумулятора энергии можно  использовать обычный бойлер с водой  для отопления и горячего водоснабжения.

Потребление тепла не так требовательно к  качеству и бесперебойности, температуру  воздуха в помещении можно  поддерживать в широком диапазоне: 19—25°С; в бойлерах горячего водоснабжения: 40—97°С, без ущерба для потребителей.

По  данным Американской Ассоциации Ветряной Энергетики (AWEA) в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветряных турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная  стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт  мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без  учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Наиболее  перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются  регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами  в 2006 г. в США составляла $0,10—$0,11 за кВт·ч. AWEA ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная  мощность малой ветряной энергетики  США вырастет до 50 тыс. МВт,  что составит около 3 % от суммарных  мощностей страны. Ветряные турбины  будут установлены в 15 млн домах  и на 1 млн малых предприятий.  В отрасли малой ветроэнергетики  будут заняты 10 тыс. человек. Они  ежегодно будут производить продукции  и услуг на сумму более чем  $1 млрд.

 

 

2.2 Солнечная энергетика

 

Солнечная энергетика — непосредственное использование  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

 

Способы получения электричества и тепла  из солнечного излучения

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
• Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
• гелиотермальная энергетика - Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

Итоги развития фотоэлементной отрасли.

 

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем  в 2005 г. В Германии установленные  мощности выросли на 960 МВт, что на 16 % больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005 году суммарные установленные  мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов  по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.

Ввод  в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия — 57 %; Япония — 20 %; США — 7 %; остальной мир — 16 %. Доля стран  в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия — 39 %; Япония — 30 %; США  — 9 %; остальной мир — 22 %.

Производство  фотоэлементов в мире выросло  с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство  в производстве — 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26 %.

В 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74 % фотоэлементов, в том  числе:

Sharp Solar — 22 %;

Q-Cells — 12 %;

Kyocera — 9 %;

Suntech — 8 %;

Sanyo — 6 %;

Mitsubishi Electric — 6 %;

Schott Solar — 5 %;

Motech — 5 %;

BP Solar — 4 %;

SunPower Corporation — 3 %.

К 2010 г. установленная мощность установок  на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6—23,1 млрд $/год.

Когда установленные мощности фотоэлементов  в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20—30 %.

 

 

 

 

Достоинства солнечной энергетики

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

 

При производстве фотоэлементов уровень  загрязнений не превышает допустимого  уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы (30—50 лет). Применение кадмия, связанного в соединениях, при  производстве некоторых типов фотоэлементов, с целью повышения эффективности  преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет  пока приемлемого с экологической  точки зрения решения, хотя такие  элементы имеют незначительное распространение  и соединениям кадмия при современном  производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается  производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению  к массе подложки на которую наносятся  тонкие плёнки. Из-за малого расхода  материалов на поглощающий слой, здесь  кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность  и неустранимую деградацию характеристик  во времени. Кроме того, развивается  производство тонкоплёночных фотоэлементов  на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов  кремнию. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

 

Свежие  разработки в области солнечной  энергетики.

Компания IBM разработала солнечный фотоэлемент, который эффективнее существующих аналогов на 40%, для его производства не требуются редкие и дорогостоящие материалы.

 

Новая солнечная батарея выполнена  из распространенных в природе химических элементов – меди, олова, цинка, серы и (или) селена. КПД преобразования солнечного света в электроэнергию у опытного образца составляет 9,6%. Метод производства новых солнечных панелей не требует  применения вакуумных технологий, используется преимущественно техника печати, напыление, нанесение покрытия методом  погружения и пр. Конечная стоимость  новых фотоэлементов ниже, чем  у конкурирующих решений.

Samsung SDI разработала новый тип окон, которые способны вырабатывать энергию по принципу, аналогичному действию солнечных аккумуляторов.

На  разработку этой технологии Samsung потратила 18 млн долл. и 5 лет. По мнению разработчиков, через несколько лет подобные окна можно будет запустить в  коммерческую продажу.

В настоящее время перед исследователями  стоит задача поднять эффективность  таких систем до 10% (пока КПД равен 8,9%).

К 2040 г. Япония планирует запустить космическую солнечную электростанцию, одновременно с этим японские корпорации Mitsubishi и IHI разрабатывают проект орбитального солнечного генератора стоимостью 21 млрд долл. Предполагается, что орбитальный генератор будет производить и передавать электроэнергию на Землю.

Всего в проекте задействовано 16 компаний, включая Mitsubishi Heavy Industries. Ближайшие 4 года исследовательская группа потратит на разработку новой технологии, которая  позволит без проводов передавать электричество  из космоса на Землю в виде микроволн. Планируется, что площадь массива  солнечных батарей электростанции мощностью 1 ГВт составит 4 км². Космическим  солнечным батареям не помешает ни плохая погода, ни смена времени  суток, а попадание прямых солнечных  лучей позволит батареям генерировать в 3-4 раза больше электричества, чем  наземные аналоги.

В 2015 г. Японское агентство аэрокосмических  исследований собирается запустить  небольшой тестовый спутник с  солнечными батареями, с помощью  которого ученые смогут оценить преимущества добычи солнечной энергии в космосе.

Национальное  космическое общество США (NSS) провело презентацию революционного проекта по сбору солнечной энергии в космическом пространстве и передаче ее на Землю.

Космическая солнечная электростанция будет  находится на геостационарной орбите над определенным местом земной поверхности. Вырабатываемая ею электроэнергия будет  передаваться на Землю беспроводным способом, при помощи микроволн. Система  рассчитана на работу круглый год, за исключением перерывов в 75 мин. в  дни равноденствия.

Эффективность такой орбитальной солнечной  электростанции будет на 75-90% выше, чем  у наземных.

Предполагается, что при наличии инвестиций с 2009 г. космическая солнечная электростанция мощностью 100 МВт начнет функционировать  в 2017 г.

 

2.3 Альтернативная гидроэнергетика

 

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.