Обзор технологий возобновляемой энергетики

Опубликовано: 22 октября 2012 г. в 14:56, 922 просмотраКомментировать

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) с каждым годом становятся все более заметными в мировой энергетике. В США и странах Евросоюза доля ВИЭ в общем объеме производства в 2010 году составила 11% и 9,6%, соответственно. И по прогнозам к 2020 году она вплотную приблизится к 25%. При этом количество энергии, вырабатываемой ВИО, возрастет в странах Евросоюза в 3,8 раза, а в США — в 22,5 раза.

альтернативные источники энергии

Развитие возобновляемых источников энергии в России находится на ранних этапах. В 2010 году доля возобновляемой энергетики в общем объеме производства составила 0,9% с установленной мощностью в 2,1 ГВт. К 2020 году доля ВИЭ возрастет до 4,5% с установленной мощностью в 25 ГВт.

Несмотря на серьезные проблемы, ограничивающие рост использования ВИЭ в России, существуют существенные предпосылки для их активного развития.

альтернативные источники энергии

Использование возобновляемых источников энергии играет важную роль в развитии распределенной энергетики.

Распределенная энергетика является приоритетной сферой экономически эффективного практического использования ВИЭ в России. В этой сфере установки на ВИЭ уже сегодня могут успешно конкурировать с традиционными энергоустановками.

Потенциальные масштабы возможного эффективного использования ВИЭ в сфере распределенной генерации уже сегодня измеряются гигаватами. Наряду с законодательной и финансовой поддержкой развития ВИЭ в централизованной энергетике, государственная политика должна учитывать и стимулировать развитие ВИЭ в регионах в сфере распределенной энергетики.

Ключевые предпосылки развития распределенной энергетики с использованием ВИЭ:

  • 2/3 территории страны расположены вне сетей централизованного энергоснабжения: население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./
  • кВтч);
  • Более 50% регионов страны энергодефицитны: завоз топлива, импорт электроэнергии – задача повышения региональной энергетической безопасности;
  • Газифицировано около 50% населенных пунктов, а в сельской местности — менее 35%.

альтернативная энергетика

Рассмотрим различные технологии возобновляемой энергетики.

Солнечная энергетика

солнечная энергетика

Среди основных проблем солнечной энергетики можно выделить непостоянность и непредсказуемость основного источника энергии, зависимость от погодных и климатических условий, и обусловленная этим необходимость в накопителях энергии или дополнительных источниках энергии. Существенными недостатками являются высокая стоимость фотоэлектрических систем (ФЭС) с учетом необходимости в накопителях и обратных преобразователях переменного тока (до 50% от общей стоимости системы), сравнительно низкий КПД (от 4-5% до 20% для традиционных фотоэлектрических модулей (ФЭМ), и до 40% для концентрирующих ФЭМ) и низкая энергоемкость (~8-12 м2/кВт), вследствие чего под ФЭС требуются большие территории (Таблица 1).

солнечная энергетика

Наиболее перспективными из перечисленных выше технологий являются:

  • Усовершенствованные неорганические тонкопленочные ФЭМ — Сферические ФЭМ на основе селенида меди-индия (CIS) и тонкопленочные поликристаллические кремниевые ФЭМ;
  • Органические ФЭМ (в том числе фотосенсибилизированные красителем ФЭМ на основе органических полимеров);
  • Термо-фотоэлектрические (TPV) ячейки с узкой запрещенной зоной (low gap-band).

солнечная энергетика

Основные исследования в области развития фотоэлектрических технологий направлены на снижение себестоимости фотоэлектрических модулей за счет:

  • Повышения КПД фотоэлектрических модулей I-го и II-го поколения:
  • Снижения потребления материалов – использования пленочных ФЭМ;
  • Повышения энергоемкости – уменьшения поверхности ФЭМ;
  • Использования органических материалов взамен дефицитного сырья (такого как серебро, индий, теллур, свинец и кадмий);
  • Снижения стоимости и сроков окупаемости ФЭМ (Рисунок 1);
  • Использования более тонких и эффективных фотоэлектрических пластин;
  • Использования поликремневых заменителей (например, металлургического кремния).

Ветроэнергетика

ветроэнергетика

Ветроэнергетика является одним из наиболее популярных и быстро развивающихся направлений альтернативной энергетики. Тем не менее, её распространение так же ограничивается непостоянностью ветра, как источника энергии, нарушением эстетического пейзажа ввиду установки огромных 100-метровых ветровых мельниц и сложностями с подключением к существующим сетям ввиду отдаленности наиболее благоприятных территорий для установки ветрогенераторов от существующей инфраструктуры. Стоимость ветряной турбины составляет около 80% от общей стоимости ветрогенератора, и поэтому основные усилия по снижению себестоимости ветряной энергии направлены на снижение расходов на производство турбин.

Среди основных направлений развития технологий в ветроэнергетике выделяются следующие:

ветроэнергетика

Увеличение генерирующего потенциала:

  • Увеличение размеров турбин (см. рис.);
  • Увеличение высоты турбинных башен;
  • Использование оффшорных ветров и ветров на больших высотах;

Улучшение материалов:

  • Снижение зависимости башенных конструкций от стальных элементов;
  • Снижение веса пропеллеров (использование углеродных волокон и высокоинтенсивного углепластика);

Улучшение системы привода (редуктор, генератор, электроника):

  • Развитие технологии сверхпроводников для более легких и эффективных электрогенераторов;
  • Использование постоянных электромагнитов в электрогенераторах.

Среди новых перспективных разработок выделяются:

Летающие ветряные турбины:

Makani Airborne Wind Turbine — на 90% легче традиционных турбин, запускается с использованием электрического двигателя, способна генерировать электричество на низких скоростях ветра;

Altaeros Airborne Wind Turbine — использует наполненную гелием оболочку для подъема на большие высоты;

Magenn Air Rotor System (M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ветра на высоте от 200 до 300 метров, а также струйные потоки воздуха, возникающие практически на любой высоте;

Генерация на ветрах низких скоростей

Wind Harvester — новая модель ветрогенератора основывается на возвратно-поступательном движении с использованием горизонтальных аэродинамических поверхностей;

Ветряная линза

Ветряная линза (Япония, университет Кюсю) — направленное внутрь изогнутое кольцо, располагающееся по периметру окружности, описываемой лопастями турбины при вращении. Увеличивает мощность ветряной турбины втрое при одновременном уменьшении уровня шума, имеет наибольший потенциал использования в открытом море;

Ветряные турбины с вертикальной осью

Windspire — вертикальная турбина высотой около 10 метров и шириной

около полутора метров, применима к использованию в городских

условиях (Рисунок 4).

Наиболее перспективными технологиями в ветроэнергетике станут те, что

позволят снизить зависимость их эффективности от размеров турбин,

как, например, Wind Harvester или Windspire.

ветроэнергетика
Makani Airborne Wind Turbine

 ветроэнергетика
Altaeros Airborne Wind Turbine

Биоэнергетика

биоэнергетика

Несмотря на высокое распространение производства тепловой и электрической энергии из биомасс, технология выработки энергии из них имеет ряд проблем:

  • Необходимость земельных и водных ресурсов для выращивания, конкурирует с производством пищевых продуктов;
  • Вредные выбросы при сжигании (NOx, сажа, зола, CO, CO2);
  • Сезонный характер роста некоторых культур;
  • Проблемы масштабирования генерирующих мощностей.

биоэнергетика

Наиболее перспективные направления развития технологий в биоэнергетике:

  • Совместное сжигание смесей биомассы с традиционными видами топлива (наиболее дешевая технология на данный момент — Рисунок 6);
  • Использование новых видов топлива из биомасс, включая различные бытовые и промышленные отходы;
  • Переоборудование существующих генерирующих мощностей на углеводородном топливе под использование биомасс;
  • Повышение теплоотдачи пеллет биомассы за счет сушки;
  • Интегрированная газификация биомасс с топливными ячейками.
биоэнергетика

Приливная и волновая электроэнергетика

Приливная и волновая электроэнергетика

В приливной и волновой энергетике используется кинетическая энергия воды. Основное отличие состоит в том, что в приливной энергетике используется энергия морских приливов и отливов за счет перепада в уровне воды, тогда как в волновой энергетике используются водные течения и колебания волн.

Основные барьеры на пути распространения данного вида альтернативной энергетики

  • Высокие капитальные затраты на строительство (от 2,5 до 7 млн. евро за 1 МВт установленной мощности);
  • Географическая привязка к береговой линии и удаленность от существующих электрических сетей;
  • Негативное влияние на окружающую среду;
  • Зависимость от природных явлений;
  • Дороговизна и сложность техобслуживания;
  • Быстрый износ генерирующего оборудования под воздействием воды.

Среди общих направлений технологических исследований в области приливной энергетики выделяются следующие:

Усовершенствование приливных плотин:

  • Повышение эффективности генераторов на приливных плотинах;
  • Улучшение антикоррозийных свойств материалов;

Использование приливного течения:

  • Генерация электроэнергии непосредственно от течения воды во время
  • приливов (а не от перепада в уровне воды между приливами и
  • отливами);
  • Исследования в области различных видов турбин (горизонтальных и
  • вертикальных) для преобразования энергии приливного течения;
  • Исследований новых, не турбинных технологий;

Модернизация фиксаторов преобразователей приливного течения:

Якорная стоянка на гравитационном фундаменте или забивных сваях, плавающие платформы, закрепленные с помощью причальных линий.

Наиболее перспективные новые технологии и разработки в области приливной энергетики:

Приливная и волновая электроэнергетика

  • Использование мостов в качестве приливных электростанций, например, проект компании Bluenergy (см.рис.);
  • Колеблющееся подводное крыло (применяет вместо вращающихся элементов плавники (крылья), которые приводятся в движение течением);
  • Системы с использованием трубки Вентури (например, Rotech Tidal Turbine – двусторонняя турбина с горизонтальной осью, расположенная внутри симметричной конической трубки Вентури, преобразует энергию океанического течения в электроэнергию);
  • Магнитогидродинамические системы (MHD) (Концептуальная технология, использующая криогенно охлажденную сверхпроводящую электромагнитную катушку, размещенную на морском дне, где проходящие приливные волны используются для выработки энергии).

В волновой энергетике большинство исследуемых технологий все еще находится на стадии разработки или экспериментальных испытаний:

  • Усовершенствование технологий осциллирующих водяных колонн (OWC) (например, снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии за счет применения маховиков и силовой электроники);
  • Развитие технологии уровневых уловителей (point absorber) на плавучих буях (в т.ч. применение различных способов отбора мощности (механических, гидравлических, электромагнитных));
  • Усовершенствование технологий переливных турбинных генераторов типа WaveDragon (Повышение КПД и снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии).

Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:

Приливная и волновая электроэнергетика

  • Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy – преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.)
  • Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE™, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем);
  • Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройств).

По материалам компании Branan

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.