Возможности использования энергетических ресурсов возобновляемых видов энергии и их оценочные расчеты



В связи с растущим дефицитом органического топлива (нефти, газа) и обострением проблемы охраны окружающей среды в настоящее время за рубежом и у нас в республике вопрос об использовании возобновляемых и нетрадиционных источников энергии стал более актуальной проблемой.

Some warm teams are considered in work for using warming of bowels of the earth of solar radiation, wing energy, ocean wave energy. It’s shown that renewable resources of energy are large, but the worked out degree of problem for using them is not enough yet.

В связи с этим в работе рассматриваются вопросы возможностей использования энергетических ресурсов возобновляемых видов энергии с целью вовлечения их в энергобаланс страны и региона.

Общий поток энергии , излучаемой Солнцем во всех длинах волн в окружающее пространство, составляет 3,86^.10²⁶ Вт(3,86^.10³³ эрг/с). Если подчитать какую массу теряет солнце за счет излучения потока в 3,86^.10²⁶ Вт, используя формулу, связывающей полную энергию тела с его массой , получим тонны. Таким образом, Солнце «Худеет» каждую секунду на 4,3 млн. тонны. Из 4,3 млн.т массы, излучаемой солнцем в окружающее пространство, на земную поверхность падает (на половину земли, освещенную Солнцем) всего около 1,9 кг. Вот из этих 1,9 кг солнечной массы и черпается энергия на все процессы, протекающие в атмосфере и на земной поверхности. Земля получает от Солнца 1,57^.10¹⁸ кВт.ч/год энергии, что в десятки тысяч раз больше энергии, чем годового потребления человечеством всех видов энергии.

С этой целью в работе нами предлагаются и решаются задачи следующего содержания.

Необходимо определить плотность солнечного лучистого потока, падающего на плоскость нормальную к лучам Солнца и расположенную за пределами атмосферы Земли. Известно, что излучение Солнца близко к излучению абсолютно черного тела с температурой Принять, что диаметр Солнца расстояние от Земли до Солнца

Известно, что, плотность падающего солнечного лучистого потока определяется по формуле:

(1)

где В — яркость солнечного излучения, d — телесный угол, под которым единичная площадка «видит» Солнце.

Яркость солнечного излучения определяется по выражению

(2),

где - постоянная Стефана-Больцмана; а, телесный угол по формуле

(3)

С учетом этих соотношений имеем, , (4)

подставляя числовые значения в (4) имеем:

Известно, что геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями полезного применения. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Геотермальная энергия своим «проектированием» обязана раскаленному центральному ядру Земли, с громадным запасом тепловой энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд. т угля. Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей [1].

Следующая задача посвящена использованию тепла земных недр. Известно, что глубина залегания нейтрального слоя Н₀ не одинакова для различных районов Земли, но постоянна для данного района. С увеличением глубины Н ниже нейтрального слоя температура горных пород земной коры увеличивается приблизительно по линейному закону:

,(5)

где -температура нейтрального слоя, ⁰С; - геотермический градиент, , ⁰С /м. величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью-

. (6)

Согласно выражению (5), геотермической градиент ⁰С/м, геотермическая ступень (м⁰С) соответственно равны

,(7)

(8).

Среднее значение геотермического градиента составляет 0,032 ⁰С/м. Тепловой расчет показывает что, при таком геотермическом градиенте, температура на глубине 5 км составляет около 160°С. Количество тепла, аккумулированное в 1 км³ горных пород при их объемной теплоемкости, равной (0,8–1,2)^.10³ кДж/(м^3. °С), на этой глубине составил около (12–20)^.10¹³ кДж, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании (4,3–7,1)^.10⁶ т. условного топлива. Для сопоставления интересно отметить, что суммарная теплота сгорания всех мировых запасов топлива составляет примерно 1610¹⁹ кДж. Расчет удельного теплового потока Земли при этом можно определить из выражения

,(9)

где - теплопроводность горных пород, Вт/(м^.°С). Знак минус в формуле (9) свидетельствует о том, что геотермический градиент направлен снизу вверх, а глубина — сверху вниз.

Средний удельный тепловой поток из недр Земли к ее поверхности составляет Вт/м². Общее количество тепла, выделяемое с поверхности Земли при данном удельном тепловом потоке, составил 8^.10²⁰ Дж/год, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании 27 млрд. т условного топлива или примерно 1,9^.10¹⁰ т. нефти.

История развития использования волновой энергии океана началась в 80-х годах XX-столетия. Однако до сих пор в этой области нет единства технических решений, как, например, в использовании приливной или тепловой энергии океана. Во многих странах широким фронтом идут экспериментальные и теоретические исследования с целью найти оптимальный метод преобразования.

Доля реального съема волновой энергии определяется по формуле где  – длина волны; х – расстояние между рядами волновых станций, равное расстоянию, необходимому для разгона волн. Например, при Это означает, что только 0,024 % полной энергии волн, имеющихся в данном бассейне, могут быть практически использованы при принятом значении х.

Отсюда следует важность правильного выбора этой величины и необходимость оптимизации значения _.

Познакомимся с практическими цифрами, характеризующими мощность океанских волн. Мощность волны на единицу длины ее фронта определяется формулой [2]

(10)

где –плотность воды, кг/м³; g–ускорение свободного падения, м/с²; h–высота волны, м; –длина волны, м; Т_– период волны, с.

По данным натурных исследований [2] известно, что для развитого волнения характерные длины волн колеблются в пределах 60–600м, периоды волн изменяются в пределах 5–20 с, а высота волны–в диапазоне от 2 до 20 м; все эти данные относятся к типичной для океана скорости ветра При этом имеют место следующие соотношения:

(11)

(12)

(13)

Из формулы (11) найдем скорость ветра , и подставляя в формулы (12) и (13), получим .

Подставив полученное значение Т_ и  в формулу (10), получим

где N–мощность волны (в ваттах) на 1 м длины фронта.

Учитывая, что плотность воды кг/м³, можно окончательно написать

Вт/м.(14)

Вычислим по этой формуле мощность 1 м по фронту для средней волны высотой от 1 до 1,5 м, получим, .

Мощность электрической энергии, которую можно получить от свободной энергии волн, зависит от коэффициента полезного действия преобразователя. Теоретически КПД может быть очень высок–до 100 %. Однако в процессе преобразования может теряться до 60–80 % свободной энергии. КПД, равный 40 %, считается очень высоким и трудно достижимым, более реально получение КПД, равного 20–25 %. Хороший преобразователь, расположенный в удачном месте с достаточной глубиной, способен обеспечить немногим более 15 кВт/м. Выявлено, что запасы волновой энергии огромны, но степень разработанности проблемы ее использования пока недостаточна.

Литература:

1. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России/ СПб.: Наука, 2002. — 314 с.
2. В. М. Сугробов и др. Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки. Москва.// Энергосбережение, 2005 № 3 стр.70–72.
3. Коробков В. А. Преобразование энергии океана/-Л.: Судостроение, 1986. — 280с.
4. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П. П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г. А. Борисов и др. СПб.: Наука, 2002. -314 с.
5. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики: справочник-каталог/ Ю. Д. Арбузов, П. П. Безруких и др.- АО «Новые и возобновляемые источники энергии», 2002.-167 с.
6. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии/ Н. Д. Шишкин.-М.:Готика.2000.-236 с.
7. Вардияшвили А. А. Исследование теплоэнергетической эффективности и тепломассообменных процессов в гелиотеплицах с использованием тепловых отходов. Автореферат дис. на соиск. ученой степени к. т.н. ФТИ «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент -2009 г. 27 стр.
8. Вардияшвили Асф.А. Теплофизика испарения и конденсации в гелоопреснителе с термодинамическим контуром. Республика Кыргызстан. Ош. междн. журнал 2009 г. № 1 –с. 71–73.
9. Асф. А.Вардияшвили, А. Абдурахмонов, А. Б. Вардияшвили Расчёты моделирования тепло-и массообменных процессов в параболоцилиндрическом гелиоопреснителе. //Кимёвий технология назорат ва бошқарув. Халқаро илмий-техникавий журнал. Тошкент № 5/2010 г. 30–30 бетлар.
10. Асф. Вардияшвили. Аналитическое решение задачи нахождения расхода и скорости движения пленки дисстилята по теплообменной поверхности солнечного опреснителя. Фарғона политехника институти, Илмий-техника журнали. № 3. — 2010 й, № 3. 34–36 бет.