Нетрадиционная и возобновляемая энергетика

 

 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

НЕТРАДИЦИОННАЯ И ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 

 

конспект лекций  

для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С А Н К Т-П Е Т Е Р Б У Р Г 

2016 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

 

НЕТРАДИЦИОННАЯ И ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 

 

конспект лекций  

для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С А Н К Т-П Е Т Е Р Б У Р Г 

2016 

 

 

 

 
 
 

УДК 621.926:631.13 
ББК 30 в 6 
 

 

 

Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: конспект 
лекций для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль 
«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». — СПб.: СПбГАУ, 2016. — 127 
с. 

Рецензенты:  
доктор техн. наук, профессор СПбГАУ  А.П. Епифанов; 
доктор техн. наук, профессор ИЖГСХА В.В. Касаткин. 

 

 
 
          

Конспект лекций «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» по дисциплине 

«Нетрадиционная 
и 
возобновляемая 
энергетика» 
предназначен 
для 
оказания 

теоретической и практической помощи обучающимся по направлению подготовки 
35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг 
энергосистем».  
 
В конспекте приведены сведения о ресурсах источников энергии и  динамике их 

потребления. 
Большое 
внимание 
уделено 
проблемам 
импортозамещения 
в 

энергетическом 
секторе 
аграрного 
производства. 
Достаточно 
подробно 

проанализированы социально-экологические аспекты целесообразности внедрения в 
сельское 
хозяйство 
нетрадиционных 
и 
возобновляемых 
источников 
энергии. 

Рассмотрены 
вопросы 
инжиниринга 
энергетических 
систем, 
основанных 
на 

использовании энергии Солнца и ветра. Большое внимание уделено геотермальным 
энергетическим установкам, энергетическим ресурсам океана. Приведено научное 
обоснование перспектив использования в сельском хозяйстве вторичных энергоресурсов 
промышленных производств. Результаты теоретических и практических исследований 
энергосистем с нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии, 
выполненные в рамках научной школы «Эффективное использование энергии» д.т.н, 
профессора Беззубцевой М.М., изложены в понятной и общедоступной форме. 
Лаконичное и четкое изложение материала, продуманный отбор необходимых тем 
позволят магистрантам быстро и качественно подготовиться к семинарам, зачетам и 
экзаменам. В конспекте также представлен материал для самостоятельной работы 
студентов. 

Конспект лекций также представляет интерес для магистров направления подготовки 

13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», специалистов тепло- и электроэнергетиков 
и агроинженеров агропромышленного комплекса, может быть рекомендован для 
заочного и дистанционного обучения. 

 

© ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2016 
© М.М. Беззубцева,  

В.С. Волков, 2016 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ 

 
Введение ............................................................................................................................................. 4 
Тема 1 Энергия ветра ......................................................................................................................... 7 

1.1 Перспективы использования энергии ветра для выработки электроэнергии ...................... 7 
1.2 Типы и принципы работы ветроустановок ........................................................................... 12 
1.3 Идеальное ветроколесо ........................................................................................................... 17 
1.4 Реальное ветроколесо .............................................................................................................. 21 
1.5 Ветроэлектростанции. Устройство и принцип действия ..................................................... 24 
1.6 Расчет системных ветроэлектростанций ............................................................................... 36 
1.7 Автономное использование ветроустановки пропеллерного типа ..................................... 38 
1.8 Автономное использование ветроустановки роторного типа ............................................. 43 
1.9 Совместное использование ветроустановки пропеллерного типа и топливной 
электростанции .............................................................................................................................. 46 
1.10 Оптимизации параметров автономного энергетического комплекса на основе ВУ и 
топливной электростанции ........................................................................................................... 48 

Тема 2 Солнечная энергия .............................................................................................................. 54 

2.1 Тепловые солнечные электростанции ................................................................................... 54 
2.2  Фотоэлектрическое преобразование энергии солнечного излучения ............................... 61 
2.3 Концентраторы и системы  слежения .................................................................................... 68 

Тема 3 энергия биомассы ................................................................................................................ 87 

3.1 Вторичные энергоресурсы. Энергетический потенциал вторичных энергоресурсов ...... 87 
3.2 Использование биомассы для получения тепловой и электрической энергии ................. 90 
3.3 Получение газообразного и жидкого биотоплива ................................................................ 92 
3.4 Расчет параметров биогазовых установок ............................................................................ 96 

Тема 4 Геотермальная энергия ..................................................................................................... 101 

4.1. Гидротермальные системы .................................................................................................. 107 
4.2 Горячие системы вулканического происхождения ............................................................ 108 
4.3 Системы с высоким тепловым потоком .............................................................................. 109 
4.4  Геотермальные электростанции .......................................................................................... 110 
4.5  Геотермальная энергия – энергия будущего ...................................................................... 112 
4.6  Геотермальная энергия – тепловая энергия земли ............................................................ 113 

Тема 5 Энергия океанов ................................................................................................................ 115 

5.1 Энергия приливов .................................................................................................................. 116 
5.2 Преобразование тепловой энергии океана .......................................................................... 119 

Заключение ..................................................................................................................................... 122 
Литература ...................................................................................................................................... 124 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Прогрессивное развитие человечества стало возможным только в 

результате все возрастающего потребления энергии. Современные масштабы 

ее производства и потребления, и особенно перспективы грядущего развития, 

не только впечатляют, но и вызывают обоснованную тревогу по причинам 

экономического, технологического и экологического характера. Дело в том, 

что при сложившейся структуре мировой энергетики, когда основная масса 

энергии вырабатывается за счет сжигания природных топлив (уголь, 

природный газ, нефтепродукты и т.п.), а запасы природных топлив на Земле 

хотя и огромны, но не безграничны, по прогнозам футурологов в обозримом 

будущем человечество начнет все острее ощущать дефицит органического 

топлива, а значит и энергии. Уже сегодня нефть, например, приходится 

добывать в малоосвоенных районах крайнего Севера, на морских шельфах и 

т.п., а некогда громадные и удобно расположенные месторождения в 

результате эксплуатации истощаются. 

Материальные отходы современной энергетики очень значительны и 

содержат в себе большое количество различных вредных компонентов, что 

приводит к такому активному загрязнению окружающей среды, что природа 

бывает уже не в состоянии переработать их естественным путем и 

самовосстановиться. Экологические проблемы возникают и в результате 

теплового загрязнения, поскольку любая форма энергии, в конце концов, 

трансформируется в теплоту, которая медленно, но неизбежно вызывает 

глобальное повышение температуры, о котором всерьез заговорили в 

последние десятилетия. При сохранении теперешних темпов роста 

производства и потребления энергии (а они без сомнения будут еще и 

возрастать) названные проблемы в будущем еще более обострятся. 

Среди источников энергии существуют и такие, которые обладают 

уникальными свойствами: они практически неисчерпаемы, экологически 

чистые, экономически очень выгодные и т.п. Правда, люди пока не научились 

так же эффективно и масштабно использовать их, как ставшими 

традиционными технологии получения энергии при сжигании топлив или 

использовании гидроэнергетических ресурсов, атомной энергии. К таким 

источникам следует отнести энергию солнечного излучения, энергию ветра, 

химическую энергию биомассы, энергию морских волн, океанских приливов, 

геотермальных источников. И сегодня наступает эпоха, когда эффективное 

освоение таких источников становится насущной необходимостью, чтобы не 

оказаться 
беспомощными 
в 
будущем. 
Поэтому 
разработка 
и 

совершенствование 
таких 
энергетических 
установок, 
методики 
их 

инженерного расчета, всемерное их практическое внедрение являются 

актуальными, способными принести значительный экономический и 

социальный эффект.  

Конспект лекций «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» по 

одноименной дисциплине  предназначен для оказания теоретической и 

практической помощи обучающимся по направлению подготовки 35.03.06 

«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг 

энергосистем».  

Изучение дисциплины «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» 

способствует овладению обучающимися следующих элементов компетенций: 

общекультурные  

готовность действовать в нестандартных ситуациях, нести социальную и 

этическую ответственность за принятые решения (ОК-2); 

готовность к саморазвитию, самореализации, использованию творческого 

потенциала (ОК-3) 

общепрофессиональные  

способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных 

технологий и использовать в практической деятельности новые знания и 

умения (ОПК-3); 

способностью использовать законы и методы математики, естественных, 

гуманитарных и экономических наук при решении стандартных и 

нестандартных профессиональных задач (ОПК-4); 

владением логическими методами и приемами научного исследования 

(ОПК-5); 

владением методами анализа и прогнозирования экономических эффектов 

и последствий реализуемой и планируемой деятельности (ОПК-б), 

способностью 
анализировать 
современные 
проблемы 
науки 
и 

производства в агроинженерии и вести поиск их решения (ОПК-7). 

 

ТЕМА 1 ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 

1.1 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 

Преобразование 
кинетической 
энергии 
ветра 
в 
электрическую 

осуществляется с помощью специальных устройств -  ветрогенераторов. 

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и 

домашние (для частного использования).  

Устройство 
ветроэлектрической 
установки 
в 
упрощенном 
виде 

представлено на рисунке. 1. 

 

 

Рисунок 1 – Ветроэлектрическая установка 

Ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными 

энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в 

результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от 

традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и 

отходов. 
Единственное 
важное 
требование 
для 
ВЭС 
— 
высокий 

среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов 

достигает 6 МВт. 

Для обеспечения электроэнергией небольшого сельского дома вполне 

достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 

м/с. 

Ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или 

дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут 

быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье 

(рисунок 2) может быть дополнена ротором Савониуса (рисунок 3). И при этом 

источники будут друг друга дополнять. 

 

 

Рисунок 2 – Турбина Дарье 

Рисунок 3 – Ротор Савониуса 

Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средняя скорость ветра 

в 4—5 м в секунду характерна для большинства промышленных районов. 

Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме 

того, значительное количество безветре- ных дней. ВЭУ в России в основном 

будут работать треть или половину времени. 

Ветрообильные районы — это прибрежные территории, расположенные 

вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, 

побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они мало 

обжиты, и поэтому создание ветроустановок, ветропарков представляет там 

сложности (http://www.manbw.ru). 

К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, отнести 

несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского 

залива и Ладожского озера. Морское побережье Ростовской области и 

Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны 

ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые 

условия для исполнения проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в 

некоторых городах сведена в таблицу. 1.1. 

Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью. 

Возможно, в будущем удастся довести до практического и дешевого 

использования водородную энергетику, что позволит безболезненно запасать 

энергию, 
произведенной 
ветроустановкой. 
Пока 
же 
ветроустановки 

привязаны к линии электропередач. 

Самый важный фактор, который влияет на количество энергии, 

вырабатываемой ветрогенератором – скорость ветра. 

Причем, 
количество 
электроэнергии, 
выработанной 

ветроэлектроустановкой, возрастает кубически с увеличением скорости ветра. 

Т. е. если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная 

ротором, увеличивается в восемь раз. 

В таблице 1 представлены значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой 

воздух, плотность — 1,225 кг/м3, атмосферное давление 760 мм рт. столба). 

Таблица 1.1 - Значения энергии ветра в стандартных условиях 

Скорость ветра, м/с
Мощность ветра на 1 м2 площади ветрогенератора, Вт/м2

1
1

3
17

5
77

9
477

11
815

18
3572

21
5672

23
7452

 

Результаты исследования ветроэнергетических ресурсов в России носят 

противоречивый характер. Так, по зарубежным данным территория нашей 

страны (за исключением Крайнего Севера и Дальнего Востока) малопригодна 

для использования энергии ветра, а по отечественным данным  на территории 

России для ветроэнергетики пригодно около 8 млн. км2 площади. Причем по