Геотермальная энергия и методы ее преобразования

Ветровая энергия и методы ее преобразования

Ветер как источник энергии [1, С. 76–79], [2, С. 125–126]

Энергия ветра есть результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты, первоисточником которых является Солнце. Ветром называется циркуляция воздушных масс, возникающая в результате различия температур, плотностей и давлений нагретого и холодного воздуха.

Кинетическая энергия ветра зависит от массы воздуха и его скорости. Сила и направление ветра изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Вблизи земной поверхности расположена зона с относительно небольшими скоростями ветра. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, между 30° северной и южной широт, скорость воздушных течений составляет 7…9 м/с. На высоте 8…12 км над поверхностью Земли, в тропосфере, из-за особенностей высотной атмосферной циркуляции возникают мощные воздушные течения, получившие название струйных течений. Над Восточной Сибирью и Чукоткой эти течения иногда опускаются до 3…4 км от поверхности Земли. Скорость воздушных масс в струйных течениях составляет 30…80 км/ч, но часто достигает 200 км/ч.

В качестве основной характеристики ветровой энергии используется мощность, переносимая потоком воздуха через 1 м² площади, перпендикулярной направлению потока (энергия в единицу времени через единицу площади). Мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени.

Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности Земли равна примерно 1,2 · 10¹³ кВт·ч (полное потребление всех видов энергоресурсов на Земле составляет около 7 · 10¹³ кВт·ч/год).

Сфера экономически целесообразного применения ветроустановок в современных условиях ограничивается, в основном, районами, имеющими децентрализованное энергоснабжение, благоприятные ветровые условия и возможность эксплуатации ветроустановок в течение большей части года.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Каспийского моря, нижней и средней Волги, на побережье Охотского, Баренцева, Черного и Азовского морей и составляют почти 5 млн. км². Длительность действия энергетического потока ветра в указанных районах составляет от 2000 до 5000 ч в год.

Наиболее перспективными для размещения ветроэнергетических установок являются побережья морей и участки их шельфов.

Достоинства и недостатки ветроэнергетических установок [1, С. 89], [2, С. 121], [3, С. 510]

Достоинства ветроэнергетических установок:

1) отсутствие топливной составляющей;

2) неисчерпаемость первичного источника энергии;

3) возможность полной автоматизации, исключающей необходимость в облуживающем персонале;

4) возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от электросетей;

5) модульное исполнение, позволяющее наращивать установленную мощность по мере необходимости

6) отсутствие существенного негативного влияния на окружающую среду.

Недостатки ветроэнергетических установок:

1) непостоянство вырабатываемой электроэнергии – создает проблемы при работе ВЭУ на сеть и необходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме;

2) более высокая, чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и меньшее число часов ее использования;

3) блокировка территории оборудованием установки (большое количество ветроэнергетических установок (ветряные фермы) требует изымания дополнительных участков земли);

4) шум, возникающий при работе ветроэнергетической установки (может достигать 50…80 дБ). Уровень шума от работающей крупной турбины повышается на расстоянии до 2 км вниз по потоку ветра;

5) возникновение электромагнитных помех (наблюдаются на расстоянии до 2…3 км от работающей воздушной турбины).

Применение ВЭУ мощностью 500 кВт и выше позволяет значительно экономить занимаемую ими площадь, а также снижает удельные капитальные вложения и стоимость электроэнергии.

Вращающиеся с большой частотой лопасти ветродвигателей представляют опасность для мигрирующих птиц, так как могут быть ими не замечены. Ветроэнергетические установки, изымая энергию ветра, могут приводить к нарушению естественного хода природных процессов и нежелательным климатическим изменениям. Однако, все опасности для окружающей среды, связанные с использованием технологии ветроэнергетики, проявляются крайне локально по своей природе и не являются серьезным препятствием для широкомасштабного применения ВЭУ.

Литература

1. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.

2. Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.

3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

Геотермальная энергия и методы ее преобразования

Характеристика источников геотермальной энергии [1, С. 90–95], [2, С. 503–504]

Геотермальной энергией называют тепловую энергию, запасенную в твердых породах или термальных водах внутри земной коры.

Земля состоит из нескольких слоев, различающихся температурой, плотностью и давлением (см. табл. 5.1).

Таблица 5.1

Характеристики слоев Земли

Слой	Толщина, км	Температура, °C
Кора	35	до 1000
Мантия	2900	1000…3000
Ядро (расплавленное)	2150	3000…4000
Ядро (твердое железо), p = 3·10⁵ МПа	1350	4000…4700

Выделение теплоты в недрах Земли связано с совокупностью следующих процессов.

1. Радиоактивный распад элементов: элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время.

2. Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли.

3. Гравитационная деформация материала Земли с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки.

4. Тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации.

5. Химические превращения в недрах Земли.

Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем по земному шару составляет 60·10^–3 Вт/м². Этому соответствует температурный градиент около 30 °C/км. В районах молодых складчатых областей плотность теплового потока может доходить до 0,3 Вт/м² при температурном градиенте 200 °C/км и более.

Наиболее перспективными зонами с большими геотермальными ресурсами являются зоны тихоокеанского и средиземноморского вулканического пояса, где сосредоточено до 80 % всех действующих вулканов на Земле. В отмеченных районах на глубине 1…2 км исследовано более 100 геотермальных систем, в большинстве из которых температура около 450 К.

В редких случаях геотермальная теплота сама выносится на поверхность в гейзерах или горячих источниках. В большинстве случаев необходимо бурение скважин, глубина которых обычно колеблется от 300 м до 2 км и более в зависимости от местных условий. Из экономических соображений желательно, чтобы глубина скважин не превышала 2,5 км.

Бурение скважины – наиболее дорогостоящая часть освоения геотермального источника. Скважина представляет собой сложное инженерное сооружение. Ее диаметр обычно ступенчато убывает с увеличением глубины (от величины около 450 мм). Одна скважина в зависимости от параметров пара или воды может обеспечить электрическую мощность от 2 до 7 МВт. Скважины нельзя располагать близко одну от другой, так как при этом их производительность будет снижаться. На одну скважину должна приходиться площадь примерно 100 000 м².

Классификация источников геотермальной энергии [1, С. 92–95], [2, С. 504]

Все пригодные для практического использования источники геотермальной энергии можно разделить на гидротермальные и петротермальные.

В свою очередь гидротермальные источники делятся на:

– источники сухого пара – ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;

– месторождения влажного пара – распространены в большей степени, в частности на Камчатке в России, в долине гейзеров в США и в других местах;

– горячая (термальная) вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления и в тепличном хозяйстве.

Основным условием существования водяных геотермальных источников является наличие непроницаемого для воды слоя горных пород, который передает тепло от мантии или магмы к формациям, содержащим в больших количествах воду. Находясь под давлением выше атмосферного, вода может нагреваться до температуры, превышающей 100 °С, и выходить вверх на поверхность через трещины в породе, причем, часто, в виде пароводяной смеси.

В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои находятся между двумя водонепроницаемыми прослойками. Нижняя передает тепло от мантии или магмы к воде, а верхняя не допускает ее выход на поверхность. Вода в таких местах превращается в пар, а при высоких давлениях – в перегретую воду. Извлечение пара из таких слоев возможно только при бурении скважин. Такие источники являются самоизливающимися, т.е. пар самостоятельно выходит через скважину на поверхность.

Температура воды или пара в гидротермальных источниках может составлять от 30 до 300…350 °С и зависит от их расстояния до мантии Земли, а также от близости к раскаленной или расплавленной магме. Термальные подземные источники, позволяющие получать на выходе из скважины воду или перегретый пар с температурами , необходимыми для производства электроэнергии (150 °С и выше), часто располагаются на глубине 2…6 км (иногда на глубинах несколько сотен метров).

Петротермальные источники связаны с теплотой сухих горных пород. Они располагаются в тех районах земной коры, в которых отсутствует вода. Температуры, достаточные для подогрева воды или получения пара, достигаются на глубине свыше 3 км. Поэтому если на такую глубину пробурить две скважины и закачать в одну из них воду, то из другой скважины могут быть получены пар или горячая вода. Практическое освоение таких источников еще не начато.

Классификация и направления использования геотермальных ресурсов [1, С. 95–96], [2, С. 504]

По характеру скопления термальные воды делят на трещинно-жильные и пластовые.

Трещинно-жильные термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм (пароводяной смеси) с температурой до 370 К и выше.

Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и межгорных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров.

По степени минерализации различают термальные воды:

– с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки;

– со средней минерализацией (10…35 г/л), требующие очистки;

– с высокой минерализацией (35…200 г/л), которые могут использоваться только в двухконтурных схемах.

По тепловому потенциалу различают:

– низкопотенциальные термальные воды с температурой до 100 °С;

– термальные воды и парогидротермы с температурой 100…150 °С;

– парогидротермы с температурой 150…200 °С.

Низкопотенциальные геотермальные ресурсы могут использоваться по следующим направлениям:

– коммунальное хозяйство (нужды отопления и горячего водоснабжения зданий различного назначения, бани, плавательные бассейны, хладоснабжение);

– сельское хозяйство (снабжение водой животноводческих комплексов, тепловое орошение, отопление теплично-парниковых комбинатов);

– технологические нужды (сушка фруктов, чайного листа и т.д.);

– теплоснабжение промышленных предприятий;

– извлечение ценных химических элементов и соединений (йод, бром, стронций, рубидий, цезий, литий и др.).

Тепло геотермальных ресурсов с температурой 100…150 °С может применяться как в промышленности, так и для генерации электроэнергии в установках, работающих на низкокипящих рабочих жидкостях (изобутане, фреоне и т.д.). После выполнения работы, затрачиваемой на производство электрической энергии, указанные ресурсы могут быть использованы как термальные воды низкопотенциального типа в технологических или теплофикационных целях.

Парогидротермы с температурой 150…200 °С могут использоваться для выработки электроэнергии.

Литература

2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 74; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!