Возобновляемая энергетика и энергосбережение


Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина



Учебник УрФУ



В. И. Велькин, Я. М. Щелоков, С. Е. Щеклеин





                ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ





Под общей редакцией профессора, доктора технических наук В. И. Велъкина


Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета в качестве учебника для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки: 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», 08.04.01 «Строительство», 14.06.01 «Ядерная, тепловая и возобновляемая энергетика и сопутствующие технологии»



Екатеринбург
              Издательство Уральского университета
2020

УДК 620.91(075.8)
ББК31.15я73
     В28
Серия основана в 2017 году
Редакционная коллегия серии:
канд. техн, наук, доц. Е. В. Вострецова', канд. техн, наук, доц. Е. В. Черепанова', И. Ю. Плотникова (ответственный редактор серии)

Рецензенты:
президент Урал. отд. Академии инженер, наук РФ им. А. М. Прохорова проф., д-р техн, наук В. Г. Лисиенко', завкафедрой энергетики Уральского гос. лесотехн, ун-та проф., д-р техн, наук С. М. Шанчуров', завлабораторией энергосбережения Национального исслед. ун-та «МЭИ», д-р техн, наук, доц. Е. Г. Гашо

        Велькин, В. И.

В28 Возобновляемая энергетика и энергосбережение : учебник / В. И. Велькин, Я. М. Щелоков, С. Е. Щеклеин ; под общ. ред. проф., д-ра техн, наук В. И. Велькина ; Мин-во науки и высш, образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2020. — 312 с. — (Учебник УрФУ).
      ISBN 978-5-7996-3122-2
  В учебнике рассмотрены вопросы современного состояния и тенденции развития возобновляемой энергетики. Среди ВИЭ представлены ветроэнергетика, солнечная и малая гидроэнергетика, биоэнергетика и биогазовые установки, а также тепловые насосы на основе геотермального тепла.
  Учебник предназначен для студентов энергетических, строительных и других специальностей технических вузов, а также для широкого круга специалистов, интересующихся вопросами развития, создания и эксплуатации и технического обслуживания энергетических систем и установок на основе возобновляемых источников энергии.
  Табл. 27. Рис. 95. Прил. 2.
УДК 620.91(075.8)
                                               ББК31.15я73

ISBN 978-5-7996-3122-2

©Уральский федеральный университет, 2020

                Оглавление











Предисловие....................................................7

Введение.......................................................9

Глава 1. Энергетические ресурсы в энергосбережении............13
  1.1. Возможные запасы энергоресурсов........................14
  1.2. Масштабы использования ВИЭ.............................20
  1.3. Тенденции развития возобновляемой энергетики...........21
  1.4. Традиционная и нетрадиционная ориентация в энергетике..25
  1.5. Энергетическая биомасса................................30
  1.6. Древесина как энергоресурс.............................34
  1.7. Нефть, газ — возобновляемые энергоресурсы..............41
  1.8. Энергосбережение и экология при использовании ВИЭ......46
  1.9. Комплексный экологический показатель топлива...........49
  Контрольные вопросы.........................................58
  Список библиографических ссылок к главе 1...................58

Глава 2. Ветроэнергетические установки........................61
  2.1. Теория идеального ветроколеса..........................62
  2.2. Теория реального ветроколеса...........................64
    2.2.1. Первое уравнение связи.............................64
    2.2.2. Второе уравнение связи ............................67
    2.2.3. Потери ветряных двигателей ........................68
  2.3. Ветроэлектрические установки...........................69
    2.3.1. Структурно-функциональное построение ВЭУ...........69
    2.3.2. Ветродвигатели и их эксплуатационные характеристики.76
    2.3.3. Электромеханическое оборудование ВЭУ...............97
    2.3.4. Принципы построения систем автоматического регулирования............................................103


3

Оглавление

    2.3.5. Особенности проектирования несущих конструкций ВЭУ...........................................ИЗ
    2.3.6. Основные требования к проектированию и сооружению ВЭУ.........................................119
    2.3.7. Ветроэлектрические установки с непосредственным преобразованием энергии ..............122
    2.3.8. Ветроэлектрические установки с промежуточным преобразованием энергии .................130
    2.3.9. Работа ВЭУ в энергосистеме и в автономном режиме..136
  Контрольные вопросы........................................147
  Список библиографических ссылок к главе 2..................148

Глава 3. Солнечная энергетика. Фотоэлектрические преобразователи..............................................151
  3.1. Состояние фотоэнергетики в России и зарубежом.........154
    3.1.1. Развитие фотоэнергетики ..........................154
    3.1.2. Использование фотоэнергетики в мире...............157
    3.1.3. Схемы использования ФЭП ..........................164
    3.1.4. Типы солнечных электростанций.....................166
  3.2. Расчет параметров автономной системы электропитания на основе ФЭП..............................................170
    3.2.1. Определение зависимости поступления суммарной солнечной радиации от угла наклона
    рабочей поверхности ФЭП..................................170
    3.2.2. Определение оптимального угла наклона
    принимающей поверхности ФЭП относительно горизонтальной плоскости по каждому месяцу года .........182
    3.2.3. Выработка электроэнергии ФЭП при различных условиях облачности........................185
    3.2.4. Расчет энергетических характеристик ФЭС ..........190
  3.3. Выбор оборудования фотоэлектрической системы..........196
    3.3.1. Выбор солнечной батареи...........................196
    3.3.2. Выбор аккумуляторной батареи .....................203
    3.3.3. Выбор блока управления............................214
    3.3.4. Выбор нагрузки ...................................217
  Контрольные вопросы........................................219
  Список библиографических ссылок к главе 3..................219

Глава 4. Мини- и микрогидроэлектростанции....................221
  4.1. Потенциал малой гидроэнергетики России................223
  4.2. Физические основы преобразования энергии движения водных масс в механическую и электрическую энергию.........224


4

  4.3. Типы гидравлических двигателей.......................228
    4.3.1. Водяные колеса ..................................229
    4.3.2. Гидравлические турбины...........................230
  4.4. Типы гидроэлектростанций.............................233
  4.5. Конструкции гидравлических турбин....................236
  4.6. Методика оценки валового гидроэнергетического потенциала................................................237
  4.7. Режимы использования водотоков для производства энергии.239
  4.8. Экологические аспекты развития малой гидроэнергетики....241
  Контрольные вопросы.......................................243
  Список библиографических ссылок к главе 4.................243

Глава 5. Биоэнергетика. Биогазовые установки................245
  5.1. Общие положения метанового брожения..................246
    5.1.1. Гидролитические бактерии.........................247
    5.1.2. Гетероацетогенные бактерии.......................248
    5.1.3. Метаногенные бактерии ...........................248
    5.1.4. Прирост биомассы ................................249
  5.2. Установки и системы для получения биогаза............250
    5.2.1. Технологии по обработке «супержидких» стоков при их влажности 98—99 % ...............................250
    5.2.2. Технологии по обработке жидких отходов с влажностью 85—95 % ...................................251
    5.2.3. Твердофазные технологии по обработке отходов с влажностью менее 85%..................................254
    5.2.4. Системы подогрева осадков........................254
  5.3. Способы определения выхода экскрементов..............256
  5.4. Технологические параметры метанового брожения. Расчет метантенка.........................................258
    5.4.1. Температура......................................258
    5.4.2. Время пребывания и нагрузка на метантенк по сухому беззольному (органическому) веществу..........260
    5.4.3. Перемешивание....................................263
    5.4.4. Периодическая и непрерывная загрузка и выгрузка .265
    5.4.5. Основы расчета метантенков.......................267
    5.4.6. Расчет степени распада органического вещества ...269
  Контрольные вопросы.......................................269
  Список библиографических ссылок к главе 5.................270

Глава 6. Тепловые насосы....................................271
  6.1. Общие сведения о работе теплового насоса.............272
  6.2. Источники теплоты для TH.............................275


5

Оглавление

  6.3. Применение тепловых насосов........................277
    6.3.1. Тепловые насосы для осушения воздуха...........278
    6.3.2. Применение TH для отопления, кондиционирования и вентиляции промышленных зданий......................279
    6.3.3. Применение тепловых насосов в пищевой промышленности .............................282
    6.3.4. Использование тепловых насосов в сельском хозяйстве.283
    6.3.5. Применение тепловых насосов в общественных зданиях и сооружениях.........................................285
    6.3.6. Применение тепловых насосов в жилых зданиях....286
  6.4. Классификация и типы тепловых насосов..............287
    6.4.1. Классификация тепловых насосов по оперативным функциям..............................................287
    6.4.2. Классификация тепловых насосов по режиму эксплуатации................................288
    6.4.3. Классификация тепловых насосов по типу.........289
  6.5. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах.........290
    6.5.1. Грунт как источник низкопотенциальной тепловой энергии......................................290
    6.5.2. Виды систем использования низкопотенциальной тепловой энергии земли................................290
  Контрольные вопросы.....................................293
  Список библиографических ссылок к главе 6...............294

Приложение 1 (Справочное).................................295

Приложение 2 (Справочное).................................309


6

                Предисловие











  Учебник написан авторским коллективом кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского федерального университета в соответствии с действующей учебной программой курса «Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии» для магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», направленности «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии».
  В основу учебника положены лекции, читаемые в УрФУ, а также многолетний опыт преподавания курсов «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» профессорско-преподавательским составом кафедр уральского энергетического института УрФУ.
  Авторы убеждены, что представленный материал, основанный на практических примерах использования нетрадиционной и возобновляемой энергетики в условиях Урала, поможет систематизировать и развить опыт применения ВИЭ не только в выпускных квалификационных работах и дипломных проектах.
  В учебнике изложены теоретические основы, анализ процессов, методика расчетов энергетических объектов и отдельных устройств оборудования с ВИЭ. Впервые, помимо традиционных классических направлений возобновляемой энергетики (ветровой, гидро- и солнечной), в учебнике нашли отражение два специфических направления, присущих Уральскому региону: использование тепловых насосов и биоэнергетика. Первое обусловлено наличием больших объемов сбросного тепла, которое может быть использовано на испарителях тепловых насосов для повышения потенциала и последующего приме

7

Предисловие

нения в целях отопления и ГВС. Второе (биоэнергетика) имеет первопричиной наличие одного из самых больших в России потенциалов Птицепрома с вытекающими отсюда проблемами утилизации животноводческих отходов, производства биоудобрений и биогаза.
  В раздел учебника «Солнечная энергетика» не включен раздел «солнечные коллекторы». Это связано с тем, что более подробные и исчерпывающие сведения можно получить из книги д-ра техн, наук, проф. В. А. Бутузова «Солнечные коллекторы», вышедшей в 2015 г. в издании «Теплоэнергетик», под редакцией д-ра техн, наук П. П. Безруких.
  В приложениях, в конце работы, имеются материалы, иллюстрирующие некоторые разделы книги.
  Авторы благодарятканд. техн, наук, доц. Старикова Е. В., канд. техн, наук доц. Матвеева А. В., канд. техн. наук. Никитину Г. И., ст. науч, сотр. Арбузову Е. В. и других сотрудников Уральского энергетического института УрФУ за помощь в подготовке рукописи.
  Авторы выражают признательность инженеру-исследователю Никитину А. Д. за большую работу, выполненную при оформлении рукописи.

8

                Введение











  В сентябре 2019 г. Правительством Российской Федерации принята Государственная стратегия развития энергетического комплекса страны до 2035 г. (ЭС-2035). Целью Стратегии является создание инновационного и эффективного энергетического сектора страны. Впервые в разделе «Государственная энергетическая политика» введен подраздел «Государственная политика в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности». Центральной идеей ЭС-2035 является переход от ресурсно-сырьевого к ресурсно-инновационному развитию ТЭК, опирающемуся на полное использование отечественного ресурсного и инновационного потенциалов за счет формирования длинных технологических цепочек с их насыщением инновационными технологиями.
  В качестве таких инновационных энергетических технологий предлагается рассматривать и возобновляемые источники энергии и различные направления энергосбережения, материалы по ним изложены в учебнике и предложены студентам для изучения.
  Развитие возобновляемой энергетики в мире приняло устойчивый характер и достигает в ряде стран динамики ввода новых мощностей 10—15 % в год (в Китае — до 35 %). Россия, располагающая значительными запасами углеводородов, в 2017 г. достигла динамики ввода возобновляемых источников энергии (ВИЭ) за год 4 %, а выработка энергии на таких установках составляет всего 1,2 %.
  Большие пространства РФ, наличие удаленных поселений и автономных объектов требуют надежных независимых энергоисточников, и сейчас эта задача решается в основном за счет дизель-генераторов,

9

Введение

работающих на органическом топливе. Одним из решений задачи внедрения ВИЭ для удаленных объектов могло бы стать использование микрогенерирующих комплексных систем с расширенным составом ВИЭ, использующих разнообразный имеющийся на данной территории энергетический потенциал, созданный природой.
  До последнего времени не существовало механизма привлечения широких слоев населения для активного участия во внедрении ВИЭ. Сегодня такой механизм разрабатывается по поручению Правительства РФ «О механизме микрогенерации на основе ВИЭ» от 24 июля 2017 г. Под микрогенерацией в документе подразумевается выработка мощности до 15 кВт.
  Роль использования микрогенерирующих энергетических комплексов с расширенным рядом ВИЭ для России, с учетом ее огромных пространств, отсутствием на 70 % территории страны централизованных источников энергии и усилением в последнее время климатических и политических угроз, возрастает. Внедрение ВИЭ предполагает повышение надежности энергоснабжения удаленных территорий, рост качества жизни децентрализованных потребителей, создание новых рабочих мест, формирование предпосылок к снижению потребления органических топлив и загрязнения окружающей среды. Все это в целом, как никогда ранее, определяет актуальность разработки методологии использования ВИЭ, необходимость их совершенствования и создание алгоритмов расчета энергетических систем с расширенным составом возобновляемых источников энергии.
  Россия — страна с огромными территориями, значительными запасами углеводородного топлива, существенными ресурсами возобновляемой энергии. В то же время страна обладает высочайшим научным потенциалом и имеет передовые технологии по всем направлениям экономического развития.
  Значительный вклад в развитие нетрадиционной и возобновляемой энергетики внесли российские ученые, такие как Алферов Ж. И., Алексеенко С. В., Безруких П.П., Бутузов В. А., Васильев Ю.С., Виссарионов В. И., Дьяков А. Ф., Елистратов В. В., Ковалев А. А., Кирпичникова И. М., Малинин Н. К., Накоряков В.Е., Николаев В. Г., СаплинЛ. А, Соловьев А. А., Стребков Д. С, ПанцхаваЕ.С., Поваров О. А., По-пель О. С., Томаров Г. В., Тягунов М. Г., Харченко В. В. и др. В их работах предстаны различные методы оптимизации оборудования ВИЭ

10

Введение

и комплексных систем, получены значимые для развития возобновляемой энергетики результаты, учитывающие стохастичность возобновляемых источников энергии.
  В области энергосбережения неоценимый вклад в становление этого направления в России внес основатель (1999) кафедры Энергосбережения УрФУ Данилов Н. И.
  Российская Федерация обладает самыми передовыми технологиями в атомной энергетике, а в последние годы в нашей стране все смелее внедряются возобновляемые источники энергии и энергосберегающие технологии. Подготовка кадров для этих направлений начинает играть очень важное значение.

11

                Глава 1. Энергетические ресурсы в энергосбережении








■ Возможные запасы энергоресурсов ■ Масштабы использования ВИЭ ■ Тенденции развития возобновляемой энергетики ■ Традиционная и нетрадиционная ориентация в энергетике ■ Энергетическая биомасса (древесина) ■ Древесина как энергоресурс ■ Нефть, газ — возобновляемые энергоресурсы ■ Энергосбережение и экология при использовании ВИЭ ■ Комплексный экологический показатель топлива

Глава 1. Энергетические ресурсы в энергосбережении



            1.1. Возможные запасы энергоресурсов



  Все энергетические ресурсы принято подразделять на невозобновляемые и возобновляемые. Подсчет запасов энергии — дело сложное, поэтому оценки разных авторов отличаются. Кроме того, запасы угля, нефти и газа различают по категориям: доказанные (т. е. более или менее подтвержденные разведывательным бурением и другими методами), прогнозные и др.
  Ниже приведены ориентировочные данные по общим запасам энергоресурсов на планете Земля.
  Невозобновляемые источники, т у.т.:
  1) термоядерная энергия — 12 300-10¹²;
  2) ядерная энергия — 74-10¹²;
  3) химическая энергия ископаемых органических горючих — 7,4-10¹²;
  4) внутренняя теплота Земли (геотермальная энергия) — 0,016 5-10¹².
  Источники, возобновляющиеся в течение года, т у.т/г.:
  1) энергия солнечных лучей, достигающая земной поверхности, — 78-10¹²;
  2) энергия морских приливов и отливов — 9,4-10¹²;
  3) энергия ветра — 0,23-10¹²;
  4) энергия рек — 0,002 4-10¹²;
  Биотопливо (возобновляется в течение 1—50 лет), ту.т/г. — 0,006-10¹².
  Рассмотрим кратко возможности каждого из перечисленных видов энергоресурсов.
  Термоядерная энергия — энергия синтеза гелия из дейтерия. Запасы дейтерия в воде океанов колоссальны. Реакция синтеза идет при температуре, равной миллионам кельвинов. Такие температуры имеют место в глубине Солнца и других звезд, при взрыве водородной бомбы. Осуществление реакции термоядерного синтеза в стационарных условиях на Земле наталкивается на колоссальные трудности, связанные с гидродинамической неустойчивостью плазмы (смесь атомных ядер и электронов, в которую превращается газ при этих температурах). В аппаратах «Токомак», созданных советскими учеными, удавалось получить нужную температуру и осуществить реакцию в течение очень малых долей секунды. В России работы в этом направлении практически прекращены. Проблема использования термоядерной

14