• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ПЕРЕДМОВА

Навчальний посібник «Основи конструювання енергоустановок
з відновлюваними джерелами енергії» призначено для студентів вищих
навчальних закладів, які проходять підготовку за спеціальністю 7.090504 «Нетрадиційні джерела енергії».

Мета вивчення курсу як загальнотехнічної дисципліни полягає
у підготовці спеціаліста, який має достатні знання для загального компонування установок, що використовують енергію відновлюваних джерел, та уміння розрахувати параметри основних вузлів, а також здатен ефективно застосовувати отримані знання під час проведення дослідних, технологічних та експлуатаційних робіт із зазначеними агрегатами.

Дисципліна «Основи конструювання енергоустановок з відновлюваними джерелами енергії» належить до циклу професійної та практичної підготовки бакалавра і ґрунтується на інформації, отриманій студентами унаслідок вивчення на попередніх курсах таких дисциплін, як «Вища математика», «Фізика», «Інженерна графіка», «Теоретичні основи електротехніки», «Теоретична механіка», «Фізика і техніка нетрадиційних джерел енергії».

Мета вивчення дисципліни – формування чіткого розуміння основ конструювання установок, що використовують відновлювані джерела енергії. Отримані знання допоможуть студентам зрозуміти та вирішити питання впровадження та експлуатації цих установок у виробництві.

У процесі вивчення дисципліни студенти повинні засвоїти:

– термінологію, що належить до основних понять дисципліни;

– методи описання процесів, що розглядаються під час конструювання установок відновлюваних джерел енергії;

– основи застосування відновлюваних джерел енергії за різних типів технологічного навантаження;

– стандартизовану термінологію, що використовується під час конструювання установок відновлюваних джерел енергії;

– правила користування довідковою літературою та навички пошуку потрібної інформації в бібліотеках та мережах електронних засобів;

– способи, розрахунку основних параметрів установок та агрегатів відновлюваних джерел енергії;

– основи математичного та фізичного моделювання процесів, що виникають в установках із використання відновлюваних джерел енергії.

ВСТУП

Використання відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) як альтернативи традиційним енергоносіям останнім часом стає дедалі актуальнішим. Незаперечні переваги їх застосування – невичерпність і екологічна чистота, а також потреба у забезпеченні енергетичної безпеки країн, зменшення обсягів шкідливих викидів і збереження запасів енергоресурсів для майбутніх поколінь – зумовили бурхливий розвиток відновлюваної енергетики як цілком конкурентоспроможної галузі енергетики.

Паливно-енергетичні ресурси – сукупність усіх природних і перетво­рених видів палива та енергії, що використовуються в національному господарстві та об’єднують традиційні й нетрадиційні їх види.

Відновлювані джерела енергії– це потоки енергії, що постійно або періодично діють у природі. В цілому всі енергетичні потоки ВДЕ поділяються на дві основні групи – пряма енергія сонячного випромінювання та її вторинні прояви у вигляді енергії вітру, гідроенергії, теплової енергії навколишнього середовища, енергії біомаси тощо. Загалом ВДЕ класифікують так:

– променева енергія Сонця;

– енергія вітру;

– гідроенергія течій води, хвиль, припливів;

– теплова енергія навколишнього середовища (Землі, повітря, морів та океанів);

– енергія біомаси;

– геотермальна енергія.

Енергетичні ресурси Землі за класифікацією Світової енергетичної ради поділяються на 16 видів, що об’єднують окремі групи, пов’язані між собою за такими ознаками:

– рівнем і масштабами освоєння: традиційні – нетрадиційні;

– природою енергоутворення: відновлювані – невідновлювані.

Невідновлювані традиційні:

1) вугілля (зокрема лігніт);

2) сира нафта і природний газовий конденсат;

3) важкі нафти, пальні сланці, бітум;

4) природний газ;

5) ядерна енергія.

Відновлювані традиційні:

6) торф;

7) дрова;

8) гідроенергія;

9) енергія мускульної сили тварин та людей.

Відновлювані нетрадиційні:

10) біомаса (за винятком дрів);

11) сонячна енергія;

12) геотермальна енергія;

13) вітрова енергія;

14) енергія припливів;

15) енергія хвиль;

16) теплова енергія океану.

До недоліків ВДЕ належить дискретність енергетичних потоків – періодичність надходження та змінність енергетичного потенціалу, що до останнього часу спричиняло значні ускладнення у багатьох випадках їх використання і не відповідало сучасним вимогам щодо енергопостачання споживачів. Сучасні технології та обладнання, а також прийоми раціонального використання ВДЕ, побудовані на комплексному використанні різних видів ВДЕ та акумуляторів енергії, фактично усунули перешкоди щодо їх широкомасштабного впровадження і зумовили бурхливий розвиток енергетики на основі ВДЕ у світі.

Якість ВДЕ.Зазвичай під якістю джерел енергії як відновлюваних, так і невідновлюваних розуміють частку енергії джерела, яка може бути перетворена на механічну роботу. Наприклад, електрична енергія має високу якість, оскільки за допомогою електродвигуна понад 95 % її можна перетворити на механічну роботу. Якість теплової енергії, що виділяється під час спалювання палива на традиційних теплоелектростанціях або видобутої з гарячих надр Землі, досить низька, адже тільки близько 30 % теплоти згорання палива або ентальпії гарячої води і пари з надр Землі перетворюється в кінцевому результаті на механічну роботу. За цією ознакою ВДЕ можна розділити на три групи:

1) відновлювані джерела механічної енергії, основними з яких єгідроенергія, вітрова енергія, енергія хвиль та припливів. У цілому якість цих джерел висока і зазвичай їх використовують для виробництва електроенергії. Коефіцієнт використання вітрової енергії становить до 30 %, гідроенергії - 60 %, хвильової і припливної енергії - 75 %;

2) теплові ВДЕ, основними з яких є прямаенергія Сонця, енергія біопалива. Максимальна частка теплоти таких джерел, яка може бути перетворена на механічну роботу, визначається другим законом термодинаміки. На практиці перетворити на роботу вдається приблизно половину теплоти, що допускається другим законом термодинаміки. Наприклад, для сучасних парових турбін ця величина не перевищує 35 %;

3) ВДЕ на основі фотонних процесів, до яких належать джерела, що використовують фотосинтез і фотоелектричні явища. Досягти високої ефективності перетворення енергії в усьому спектрі сонячного випромінювання дуже важко, і на практиці ККД фотоперетворювачів поки не перевищує 25 %.

Відновлювані і традиційні (викопні копалини) джерела енергії істотно відрізняються за характерною для них початковою щільністю потоків енергії. Для ВДЕ початкова щільність енергії зазвичай не перевищує 1кВт/м² (наприклад, щільність енергії сонячного випромінювання, енергії вітру за швидкості близько 10 м/с); для невідновлюваних джерел енергії її значення на декілька порядків вище. Наприклад, теплове навантаження в трубах парових котлів становить приблизно 200 кВт/м² і більше, а в теплообмінниках ядерних реакторів – декілька мегават на 1 м². Через таку значну відмінність щільності потоків енергії виникають суттєві відмінності в експлуатації енергоустановок на невідновлюваних і відновлюваних джерелах – традиційні енергоустановки ефективні за великої одиничної потужності, проте розподіл енергії серед споживачів вимагає великих витрат, енергоустановки ж на основі ВДЕ ефективні за малої одиничної потужності, але потребують великих витрат для підвищення потужності під час сполучення їх в єдину енергосистему.

Відновлювані джерела енергії мають принципові відмінності, тому їх ефективне використання можливе на основі науково розроблених принципів перетворення енергії ВДЕ у види, що потрібні споживачам. У навколишньому середовищі завжди існують потоки відновлюваної енергії, тому в процесі розвитку відновлюваної енергетики варто орієнтуватися на місцеві енергоресурси, обираючи найбільш ефективні з них. Важливим чинником ефективного використання ВДЕ є комплексний підхід у плануванні енергетики на основі відновлюваних енергоресурсів.Відновлювані джерела енергії – невід’ємна частина навколишнього середовища, тому як їх вивчення, так і використання не можна обмежувати однією науковою дисципліною. Часто дослідження охоплюють галузь від промислової біотехнології до електроніки і процесів управління. Використання ВДЕ має бути багатоваріантним і комплексним, що дасть змогу прискорити економічний розвиток регіонів. Наприклад, хорошим підґрунтям для використання ВДЕ можуть бути агропромислові комплекси, де відходи тваринництва і рослинництва є сировиною для отримання біогазу, а також рідкого і твердого палива, виробництва добрив.

Для ефективного планування енергетики на відновлюваних ресурсах потрібно, по-перше, систематичне дослідження навколишнього середовища, аналогічне дослідженням геологічного характеру під час пошуків нафти або газу, по-друге, вивчення потреб конкретного
регіону в енергії для промислового, сільськогосподарського виробництва і побутових потреб. Зокрема, необхідно знати структуру споживачів енергії, щоб обрати джерело енергії з кращими економічними показниками.

Нині найбільш масштабне використання гідроенергії та енергії вітру. Досить широко та успішно функціонує велика гідроенергетика, проводиться робота з відновлення занедбаних і будівництва нових об’єктів малої гідроенергетики, особливо у важкодоступних для підведення ліній електропередач районах. Спалювання біомаси для отримання теплової енергії із застосуванням сучасного устаткування стає все більш поширеним. Майже в усіх регіонах світу можна експлуатувати вітроенергетичне обладнання для виробництва електроенергії та виконання механічної роботи, а також створення і розширення біоенергетичного сектору для отримання біогазу. Геотермальна енергія має значний потенціал в окремих регіонах світу і може успішно використовуватися для опалення і гарячого водопостачання, а також для виробництва електроенергії. Енергія сонячної радіації може ефективно використовуватись для гарячого водопостачання й опалення; фотоелектрика у промислових масштабах усе ще малодоступна – прогресу можна досягти тільки у разі стрімкого технологічного зростання, що забезпечить значне зниження цін на фотоелектричні станції. Найбільш поширене використання сонячних фотоелементів для живлення електроприладів – калькуляторів, годинників тощо, вартісні показники електроенергії від ВДЕ, виробленої на різних видах електростанцій, вже зараз перебувають у середньому на рівні традиційних електростанцій; із загальної сукупності виділяється фотоенергетика, де вартість електроенергії в 4–5 разів вища; спостерігається стійке зниження вартості електроенергії від ВДЕ, зокрема і на фотоелементах, яка, відповідно до прогнозів, наблизиться до вартості електроенергії інших видів через 5–10 років.

У табл. В.1. наведено граничні значення питомої вартості електроенергії, виробленої традиційними електростанціями і електростанціями на основі ВДЕ.

Таблиця В.1. Граничні значення вартості 1 кВт×год електроенергії, виробленої
на різних типах електростанцій

Використання енергії відновлюваних джерел у світі має найдавніші традиції – ще кілька століть тому основою енергетики було використання вітрових і водяних агрегатів та мускульної енергії тварин. На кінець ХІХ ст. в Російській імперії сумарна потужність вітрових та водяних млинів дорівнювала приблизно двом блокам Чорнобильської АЕС. Важливим джерелом для отримання теплової енергії була біомаса – дрова, торф, використання яких до цього часу в сільській місцевості України не втратило своєї актуальності.

Середина ХХ ст. характеризується майже повною відмовою від ВДЕ. Однак, енергетична криза 70-х років минулого століття, що поставила людство перед загрозою вичерпання викопних енергетичних ресурсів, та Чорнобильська катастрофа 1986 року, яка показала реальну загрозу існуванню цивілізації, докорінно змінили підходи до використання первинних джерел енергії. Почало формуватися науково-технічне підґрунтя нової галузі, яка отримала назву «відновлювана енергетика».

Використання енергії відновлюваних джерел нині є одним із пріоритетних напрямів розвитку світової енергетики, що зумовлено потребою в:

– усуненні енергетичної нестабільності країн, пов’язаної з енергетичними кризами;

– зменшенні обсягів шкідливих викидів, що утворюються в процесі використання традиційних енергоносіїв;

– збереженні запасів енергоресурсів для майбутніх поколінь;

– збільшенні витрат органічної сировини для неенергетичних потреб.

Термін окупності капітальних вкладень в енергетику в середньому становить 8–10 років, тоді як на спорудження теплоелектростанції потрібно 6–8 років, великих гідростанцій і атомних станцій – 10–12 років. Вітроенергетична станція за кордоном споруджується за 5–6 місяців від моменту підписання контракту, термін її окупності – 8–10 років. У централізованих енергосистемах прийнятний термін окупності
(5–10 років) визначається питомими капітальними вкладеннями 800–1000 дол./кВт і менше, терміном використання встановленої потужності – 2200 год/рік і більше. Для автономних енергосистем ці показники становлять, відповідно, 2000 дол./кВт і 1500 год/рік.

Переведення одиниць вимірювання енергоносіїв в умовне паливо – переведення одиниць вимірювання витрат котельно-пічного палива (вугілля та вуглепродукти, нафта та нафтопродукти, природний газ), інших видів (торф, торфобрикети, дрова, коксовий газ, доменний газ, нафтозаводський газ, феросплавний газ тощо) в умовне паливо проводять на основі еквівалентних коефіцієнтів, які враховують калорійність у кілокалоріях на кілограм або кілоджоулях на кілограм одиниці палива за всіма його видами (табл. В2, В3).

Таблиця В.2. Множники і стандартні префікси для утворення значень
одиниць фізичних величин

Таблиця В.3. Співвідношення одиниць вимірювання енергії

Умовне паливо (у.п.) – одиниця обліку органічного палива, що використовується для зіставлення різних видів палива та його сумарного обліку. Таким паливом вважають паливо, нижча теплотвірна здатність якого приблизно дорівнює 29310 кДж/кг. Кожне паливо має свій коефіцієнт еквівалентного переведення в умовне Е_п, який визначається за співвідношенням

Е_п=Q_ниж/29310,

де Q_ниж – нижча теплотвірна здатність палива, кДж/кг.

Вугільний еквівалент (в.е.) – одиниця обліку органічного палива.

1 кг в.е. = 1 кг у.п. (1 кг в.е. має нижчу теплоту згорання 7000 ккал, що становить 29310 кДж).

Нафтовий еквівалент (н.е.) – одиниця обліку органічного палива.

1 кг н.е. має нижчу теплоту згорання 10000 ккал, що становить 41868 кДж;

1 кг в.е. = 1 кг у.п. = 0,7 кг н.е. = 7000 ккал = 29307,5 кДж = 29,31 МДж;

1 кг н.е. = 1,4286 кг у.п. = 1,4286 кг в.е. = 10000 ккал = 41,868 МДж.

Згідно з Національною енергетичною програмою України на вироблення 1 кВт×год енергії на традиційних станціях витрачається 0,3514 кг у.п.

Для вітроенергетичних установок та малих ГЕС 1 кг у.п. = 2,849 кВт×год. Однак, для геліоустановок та інших об’єктів альтернативної енергетики
1 кг у.п. = 8,13 кВт×год.

Читайте також:

1. ПЕРЕДМОВА
2. Передмова
3. ПЕРЕДМОВА
4. ПЕРЕДМОВА
5. ПЕРЕДМОВА
6. ПЕРЕДМОВА
7. ПЕРЕДМОВА
8. Передмова
9. Передмова
10. Передмова
11. ПЕРЕДМОВА

Переглядів: 1060