Материал: ответы на вопросы

Вопрос #1

Принцип работы ветрогенератора. Основные виды ветрогенераторов.

Принцип работы.

Потоки ветра вращают лопасти ветрогенератора: проходят через турбину, приводит её в действие, и она начинает вращаться. На валу турбины возникает энергия, которая будет пропорциональна ветровому потоку. Далее энергия передается по валу ротору на мультипликатор (если он есть), который её генерирует.

Генератор превращает механическую энергию в электрическую.

Мощность ветряка измеряется «ометаемой» площадью турбины.

Чем больший размер лопастей, тем большую мощность он создает.

Мощность ветрогенератора рассчитывается исходя из кубической зависимости скорости ветра.

Конструкция ветряка:

• Мачта (может быть трубчатого типа или «ферма»):

• Турбина – это ротор, предназначенный для того, чтобы превратить энергию прямолинейного движения воздушного потока;

• Система управления турбиной;

• Генератор преобразовывает энергию ветра в электрическую;

• Ланка передачи энергии (мультипликатор или сам вал);

• Выпрямитель (поскольку зачастую в ветряках используются генераторы переменного тока для того, чтобы правильно зарядить аккумулятор или отправить энергию в сеть (бытовой сегмент));

• Система азимутального привода или хвост (иногда устанавливаются машины, у которых к ветряку прикрепляется «хвост», он ориентируется по ветру самостоятельно).

Типы ветрогенераторов

По мощности и области применения ветрогенераторы бывают:

• промышленные (мощностьот 500 КВт);

• бытовые (мощность 0-10 КВт).

По конструкции бытовые типы ветряков отличаются конструкцией ротора (турбины):

1. С горизонтальной осью. Отличаются системой управления турбины (ротора), она может быть:

• аэромеханической (на лопастях установлены специальный «закрилышки», которые меняю угол направления ветра: чем больше скорость ветра, тем больше угол атаки лопастей и наоборот). Меняя угол атаки, мы можем управлять турбиной как на малых, так и на больших скоростях для эффективной и правильной работы устройства.

• с азимутальным приводом (электроника фиксирует скорость и направление ветра, поворачивает или отворачивает турбину от ветра, если скорость ветра превышает номинальную).

2. С вертикальной осью – это малоэффективные устройства, которые не рекомендовано использовать из-за ряда недостатков. Они отличаются типом турбин:

• ротор Савониуса (Savonius). Их недостатком является коэффициент опережения. Если скорость ветра 10 м/с, то законцовка турбины будет вращаться со скоростью 100 м/с, соответственно, коэффициент опережения – 10. Фактически ветряк не может самостоятельно стартовать, его нужно раскручивать и только после этого он начинает работать. Если этого не делать, то он начет вырабатывать энергию только при скорости ветра 10 м/с и больше.

• ротор Дарье (Darrieus). Применяются разве что как анемоскопы, так как малоэффективные.

Сейчас широкое применение получили ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения (крыльчатые), благодаря тому, что у них коэффициент использования энергии ветрового потока (КИЭВ) легко достигает 30% и больше, а у ветрогенераторов с вертикальной осью вращения КИЭВ составляет около 20%.

Вопрос #2

Принцип работы солнечной электростанции. Различия между поликристаллическими и монокристаллическими солнечными батареями.

Автономная СЭС состоит из солнечных батарей; распределителя с защитой; зарядное устройство; батареи; инвертор (преобразовывает напряжение); подключение к дому.

Различия между поликристаллическими и монокристаллическими солнечными батареями.

Принцип работы автономной солнечной электростанции: солнечные панели подключаются к аккумулятору(-ам) с помощью контроллера (он солнечную энергию преобразовывает в электрическую). К аккумуляторам подключается инвертор (он преобразовывает постоянный ток в переменный).

Монокристаллическая система представляет собой десятки фотоэлементов, объединенных в единую панель. Кристаллы получают путем выращивания — по методу Чохальского. Каждый из них закреплен на стеклопластиковой основе, которая защищает от пыли и влажности. Материал элементов — очищенный кремний. Светочувствительные ячейки ориентированы в одну сторону, за счет чего КПД монокристаллических панелей выше, чем поликристаллических.

Поликристаллы получают путем постепенного охлаждения расплавленного кремния. Такая технология обходится дешевле, чем искусственное выращивание монокристаллов, правда, на краях поликристаллов может присутствовать зернистость, что приводит к снижению их эффективности. Принципиальное отличие от монокристаллических — неоднородная структура и окрас. Это обусловлено примесями и тем, что в системе содержатся кристаллы разного типа.

Главные различия

• КПД у монокристаллов выше (20-22% против 17-18%)

• продолжительность непрерывной эксплуатации монокристалла — не менее 20 лет (против 10-15 лет у поликристалла)

• уровень поглощения монокристалла выше, чем в поликристаллических панелях

• доступная цена — производство поликристаллических панелей менее затратное чем монокристаллов

• скорость утраты мощности (деградация) поликристаллов меньше, чем у монокристаллов

Вопрос #3

Принцип работы гидроэлектростанций. Энергия приливов и отливов.

Принцип работы ГЭС

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и, как следствие, концентрации реки в определённом месте, или деривацией — естественным потоком воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается всё энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет своё определённое деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Есть ещё всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля работы ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Энергия приливов и отливов

Существуют два способа использования этой энергии приливными электростанциями (ПЭС). Первый использует тот же принцип, что и обычные ГЭС: принимающая турбина располагается ниже приливного уровня и сила падающей воды вращает турбины, связанные с электрическим генератором. Другой способ использует энергию движения воды – перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. При этом на морском дне устанавливается плотина, отсекающая залив от моря и состоящая из ряда мельниц, подобных ветряным, чьи вращающиеся турбины связаны с электрогенераторами, подающими выработанный ток на прибрежные электростанции. Система меняет направление турбинных лопастей при смене направления движения воды. Для постройки ПЭС перепад высот приливов и отливов должен составлять не менее пяти метров.

Преимущества пэс:

– использует возобновляемый источник энергии;

– устойчиво работает в энергосистемах с гарантированной постоянной месячной выработкой электроэнергии. (Выработка энергии на ПЭС не зависит от водности года);

– не загрязняет атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций;

– не приводит к затаплению земель в отличие от гидроэлектростанций, т.к. отсутствует необходимость создания водохранилищ;

– не представляет потенциальной опасности радиоактивного загрязнения в отличие от атомных электростанций;

– легче в обслуживание и долговечнее, чем океанические электростанции преобразующие волновую энергию;

-капитальные вложения для сооружения ПЭС не превышают затраты на строительство ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства и применению нового технологичного «ортогонального» гидроагрегата;

-относительно дешевая стоимость производимой электроэнергии. (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс – Франция).

Среди недостатков использования ПЭС обычно упоминаются:

– размах мельничных лопастей придонных ПЭС препятствует навигации в районах расположения станций;

– возможное нанесение ущерба морской флоре и фауне при строительстве и функционирование ПЭС, хотя данный факт активно исследуется и нередко оспаривается.

Вопрос #4

Геотермальные источники энергии

Геотермальная энергетика не изобретена человеком. Тепловой энергией наделен сам земной шар с момента возникновения планеты.

Нередко нагретые от природы подземные водоемы располагаются очень близко к поверхности. В таком случае геотермальное тепло визуально определяется невооруженным глазом. Это извергающаяся лава вулканов, геотермальные источники – гейзеры.

Преимущества геотермальной энергии в том, что запасы такого тепла в 10 раз превышают запасы органических ископаемых, основного топлива планеты.

Геотермальная энергетика: откуда берется энергия?

Применение геотермальной энергии отталкивается от исходной температуры. Теплоноситель, нагретый естественным образом до +30 – +1000С пригоден для отопления без дополнительной трансформации. Вода, пар высокой температуры применяются для выработки электричества.

Принцип работы термальной электростанции похож на устройство ТЭС. Рабочим элементом в обоих случаях служит нагретый пар. А вот методы нагрева различаются. На теплоэлектростанциях воду в пар превращают, используя для нагрева уголь, мазут или природный газ. Термальные установки и теплоноситель берут уже готовыми.

Геотермальные системы отопления для дома

Для отопления жилья пригоден носитель тепла, нагретый до +50 – 600С, таким требованием соответствует геотермальная энергия. Города с населением в несколько десятков тысяч человек могут отапливаться теплом земных недр. В качестве примера: отопление города Лабинск Краснодарского края работает на естественном земном топливе.

Не нужно тратить силы и время на подогрев воды и строить котельную. Теплоноситель берут напрямую из гейзерного источника. Эта же вода подходит и для горячего водоснабжения. В первом и во втором случае она проходит необходимую предварительную техническую и химическую очистку.

Полученная энергия обходится вдвое-втрое дешевле. Появились установки для частных домов. Стоят они дороже, чем традиционные топливные котлы, но в процессе эксплуатации оправдывают затраты.

Схема геотермальной системы для отопления дома

Вопрос #5

Биотопливо как источник энергии. Виды биотоплива.

Биотопливом называется топливо, которое извлекают путем обработки биомассы биологическим (посредством бактерий) или термохимическим способом. Как биомасса используется растительное или животное сырье, а также органические промышленные отходы или продукты жизнедеятельности организмов. На сегодняшний день наиболее используемые источники биотоплива — это растения или отходы деревопереработки.

По своему агрегатному состоянию биотопливо бывает твердым, жидким и газообразным.

В зависимости от агрегатного состояния выделяют следующие виды биотоплива:

• твердое (древесина, древесная щепа, топливные брикеты, топливные гранулы, топливный торф);

• жидкое (биоэтанол, биобутанол, биометанол, биодизель);

• газообразное (биогаз, биоводород).

Твердое

Одним из наиболее известных источников твердого биотоплива являются дрова, которые местами до сих пор используют для получения тепловой и электрической энергии. Несмотря на разработку проектов по выращиванию так называемых энергетических лесов, большим вниманием начинает пользоваться способ получения биотопливных брикетов и гранул из продуктов деревопереработки.

Так, первые производят из различных биоотходов (птичий помет или навоз). Эти отходы высушиваются и прессуются соответствующим образом, после чего используются для обогрева жилых и производственных помещений. Аналогичным образом производят и топливные гранулы, также известные как пеллеты. Сырьем для получения пеллет служат опилки, солома, кора, щепа, а также отходы сельскохозяйственного производства. Так, сырье сначала перемалывается в муку, после поступает в сушилку, а затем в специальный пресс. Там под воздействием высокой температуры и давления лигин, вещество содержащееся в древесных отходах, становится клейким. В результате этого на выходе получаются готовые небольшие цилиндры экотоплива.

Жидкое

К жидкому биологическому топливу относятся этанол, биобутанол и биометанол, а также биодизель. В большинстве своем его получают из растительного сырья. Так, наибольшее распространение на сегодняшний день в качестве транспортного топлива получили биоэтанол и биодизель. По данным на 2014 год, первый занимал около 74% биотопливного рынка, 23% — принадлежали биодизелю.

Сырьем для биоэтанола служат растения, в которых присутствуют крахмал или сахар, которые подвергаются процессу спиртового брожения. Совместное использование этанола и бензина дает ряд преимуществ для автомобиля. Применение такой смеси лучше сказывается на работе двигателя и его мощности, предотвращает перегрев мотора, а также препятствует образованию сажи, нагары и дыма.