Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

Одна из проблем геотермального теплоснабжения – отложение солей при использовании высокоминерализованных вод, что снижает эффективность процесса. Для предотвращения нежелательного отложения солей приходится применять дорогие технологии и материалы. Опасен прорыв трубопроводов, в результате которого на землю может поступить большое количество рассолов.

Тем не менее за счёт использования нетрадиционных электростанций можно достичь достаточно большой экономии топлива

(табл. 5.3).

Таблица 5.3 Прогноз установленной мощности электростанций в России до 2015 г.

	Электростанции	Вводимая мощность,	Годовая экономия
		МВт	топлива, тыс. т у.т.
	Геотермальные	60–165	172–470
	Малые ГЭС	100–250	153–415
	Солнечные	1–10	1–10
	Ветровые	10–100	10–105
	Итого	171–525	336–1000

Интересным результатом проекта «Lunaheat» является возможность воздействовать на климат с помощью приливной энергии [5], создавшей искусственное тёплое течение из Тихого океана через Атлантический и Ледовитый океаны снова в Тихий океан (рис. 5.10). Предполагается в районе Центральной Америки и в Беринговом проливе установить систему клапанных насосов, приводимых в действие приливной энергией.

Величина потока в таком течении может оказаться в 10 раз больше, чем несёт р. Амазонка, а всего лишь 5 % тепла этого потока смогут в течение 12 лет расплавить арктические льды, что, правда, не приведёт к существенному изменению уровня Мирового океана. На расплавление льдов Гренландии понадобится ещё несколько сотен лет, и за это время удастся направить избыток воды на создание искусственного моря в центре пустыни Сахара. По оценкам, затраты одной единицы приливной энергии будет достаточно для переброски в северном направлении миллиона единиц тепловой энергии.

Ожидается, что данный проект позволит огромные районы моря и суши в Арктике сделать пригодными для хозяйственной деятель-

171

ности, улучшить климат в Северной Европе, поможет очистить Атлантику и Средиземное море за счёт усиления циркуляции воды в Атлантическом океане.

Втабл. 5.4 приведена обобщённая оценка [3] воздействия на среду различных типов преобразователей океанской энергии. Результаты получены экспериментальным путём на близких по масштабу к натуре образцах. Однако полученные в одном районе океана результаты необязательно соответствуют другим районам из-за различия как в природных условиях, так и в структуре биотопов.

Поэтому полученные результаты имеют частный и порой противоречивый характер, и сами результаты этой таблицы иллюстрируют качественный характер оценки экологической ситуации в Мировом океане.

Из табл. 5.4 видно, что воздействие океанских ТЭС и ГЭС может нести глобальный характер, а влияние других станций не выходит за пределы локальных зон.

Виды отрицательных действий на человека и другие организмы может сказаться непосредственно на здоровье человека, так и через ограничение его деятельности.

Изъятие энергии тепла из поверхностного слоя океана и подъём на поверхность холодной глубинной воды приведут к охлаждению поверхностных вод, и океан станет меньше отдавать тепла в атмосферу, что может способствовать изменению климата на континентах.

Вработе [7] предпринята попытка оценки величины допустимого изъятия энергии из океана без вреда для окружающей среды. Критерием служило уменьшение температуры поверхностного слоя океана на полградуса за счёт работы станций ОТЭС. Расчёты показали, что при непрерывной работе тепловых преобразователей за год будет выработано энергии втрое меньше прогнозируемой на

2020 г.

Другой важной причиной, ограничивающей использование тепловой энергии Мирового океана, является значительное выделение углекислого газа из холодных глубинных вод, необходимых для работы тепловых преобразователей.

172

Таблица 5.4

Взаимодействие преобразователей энергии океана и природной среды

Результат воздействия на среду			Группа преобразователей
	ОТЭС	ОГЭС	ВолнЭС	ОВЭС	БиоЭС	СолЭс	ПЭС
Изменение/управление климатом	--	--
Изменение состава атмосферы	--	-		-
Аварийные выбросы реагентов	--
Опасности при обслуживании	--	--	-	--	-	-
Повышения уровня шума			-	--
Ограничение / перестройка хозяйственной деятельности	-	--/-	--	-	-	-/-	-/-
Ущерб рекреации		-	-	--	-	-
Изменение циркуляции вод	-	--	-		-	-	-
Изменение температуры вод	--	-	-		-		-
Изменение видового состава организмов	-	-		-	-	-	-
Гибель организмов	-	-	-	-
Обогащение среды биогенными элементами	++	+	++		+
Обогащение среды кислородом					+
Создание искусственных биотопов		+	+	+	++
Создание очистных систем					++
Уменьшение транспорта осадочных пород		+	++	+	++		+

В таблице приведены возможные положительные (+) и отрицательные (-) результаты воздействия на среду. ОТЭС, ОГЭС – океанские ТЭС и ГЭС; ВолнЭС – волновая электростанция; ОВЭС – океанская ветровая электростанция; БиоЭС – биологическая электростанция; СолЭС – солнечная электростанция; ПЭС – приливная

электростанция

Контрольные вопросы и задания

1.Турбина гидроэлектростанции расположена на 200 м ниже уровня воды в водохранилище. Скорость воды после прохождения турбины 30 м/с. Какая часть энергии воды передана турбине, если пренебречь потерями на трение в подводящем канале?

2.За плотиной ГЭС (ниже по течению) река имеет ширину b = 1 км и глубину h = 10 м. Скорость течения около v = 4 км/ч. Каков массовый расход G воды через плотину?

3.Как изменится мощность малой ГЭС, если напор водохранилища в засушливый период уменьшится в 1,2 раза, а расход воды сократится на 20 %? Потери в гидротехнических сооружениях, водоводах, турбинах и генераторах считать постоянными.

4.Крупная система аккумулирования энергии имеет верхний резервуар, содержащий 6,7 млн м3 воды и расположенный на 500 м выше нижнего резервуара. Система может выдать в электрическую сеть мощность 1800 МВт. В предположении отсутствия потерь определить возможную продолжительность работы системы на максимальной мощности.

5.Определить увеличение массы всей воды Мирового океана (1,38 · 1021 кг) при нагревании её на 10 ºС.

6. Через освещённый солнечным светом интенсивностью 600 Вт/м2 солнечный коллектор с площадью поверхности 6 м2 пропускается холодная вода с расходом 2 л/мин. Каково будет увеличение температуры воды на выходе из коллектора, если его эффективность составляет 50 %?

Список литературы

1.Renewable Electricity and the Grid: the Challenge of Variability. Edited by Godfrey Boyle. Earthscan, London, 2007.

2.Сайт «Геоглобус.ру» – геолого-географическое обозрение.

3.Коробов В.А. Преобразование энергии океана. Л.: Судостроение,

1986.

4.Акуличев В.А. Океан и энергетика. Природа, 8, 29, 1979.

5.Anderson H.H. Lunaheat: Let’s Abolish Winter in the Northern Regions. Pumps’79. 6-th Technol. Conf. Beaford, 1979, p. 83–88.

6.Шулейкин В.В. Физика моря. М.: ОНТИ, т. 2, с. 314, 1938.

7.Акуличев В.А., Ильин А.К. Тепловые энергетические ресурсы тропических районов Мирового океана. В кн.: Преобразование тепловой энергии океана. Владивосток, ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1984.

174

Глава 6. ЭКОЛОГИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

6.1. Солнечное излучение на поверхности Земли

Свойства солнечного излучения. Солнце является мощным ис-

точником электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение – это волны колебаний электрического и магнитного полей, распространяющиеся со скоростью света с = 3·108 м/с. Длина волны λ и частота колебаний (число колебаний в секунду) ν связаны соотношениями

с = λ ν = λ/τ,

(6.1)

где τ = 1/ ν – период колебаний. То есть за время τ волна проходит путь λ = сτ, равный длине волны.

В силу квантово-механического «дуализма» поток электромагнитной энергии можно рассматривать и как поток частиц, не имеющих массы покоя, – фотонов, энергия которых Еф прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны излучения: Еф = h ν = hc/λ, где h = 6,63 · 10–34 Дж· с – постоянная Планка.

Солнце, как и любое нагретое тело, излучает волны с разной длиной волны. Распределение энергии по длинам волн называют спектром излучения. Спектр солнечного излучения имеет «колоколообразную» форму (рис. 6.1) и совпадает со спектром так называемого черного тела, имеющего температуру Т ≈ 6000 К (точнее, 5785 К).

Согласно формуле М. Планка, полученной на основе представлений квантовой механики, спектр излучения черного тела, т.е. плотность потока энергии через единицу площади в единицу времени (на единицу интервала длин волн), Вт/м2/м, определяется выражением [1, 2]

2πhc

2

1

2π

E5

W

=

=

ф

,

(6.2)

λ5

exp(hc/λkT ) −1

h4c3 exp(E

/kT ) −1

λ

ф

где k = 1,38 · 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Длина волны λm , соответствующая максимуму спектра излучения чёрного тела, зависит от его температуры Т. Величину λm и её

175

зависимость от Т можно определить, если продифференцировать Wλ по λ и приравнять производную нулю. В итоге получим

λmT = 2,88 10−3 м· К ≈ 3 мм· К.

(6.3)

Эта зависимость называется законом смещения Вина. Согласно этому закону с ростом температуры тела максимум энергии излучения смещается в область коротких длин волн (или высоких частот). Для Солнца при Т = 5785 К получаем λm = 2,88/5785 ≈

≈ 0,5 мкм – это середина видимого диапазона волн (0,4–0,8 мкм). То есть человечество в процессе эволюции адаптировалось к Солнцу так, что глаз видит лучше всего в диапазоне длин волн из окрестности максимума энергии солнечного излучения.

Суммарная энергия излучения по всем длинам волн (с единицы поверхности Солнца как черного тела) зависит только от температуры тела:

∞
q = ∫ W (λ)dλ = σ T 4, Вт/м2.	(6.4)

λ=0

Это выражение известно как закон излучения Стефана– Больцмана. По этому закону мощность излучения черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела. Константа σ называется постоянной Стефана– Больцмана и определяется выражением

		2πk4	∞	x3dx
	σ =		∫		,	(6.5)
		2 3		x
		c h	x=0	e −1

где обозначено x = kThν = λhckT . Численное значение интеграла равно

	∞	x3dx			π4
	∫			=		≈ 6,494.
		x			15
	0	e −1

В итоге из (6.5) следует значение постоянной Стефана– Больцмана σ = 5,67 · 10–8 Вт/(м2 К4).

Согласно (6.4) мощность излучения с квадратного метра поверхности Солнца составляет

q = 5,67 10−8 (5785)4 ≈ 7,3 107 Вт/м2 = 73 МВт/м2.

176

Радиус Солнца R ≈ 7 108 м (в 109 раз больше земного радиуса), а площадь поверхности Солнца S = 4πR2 ≈ 6 1018 м2, следовательно, полная мощность солнечного излучения

W = q S = 7,3 107 6 1018 = 4,4 1026 Вт.

Ничтожная часть этой энергии, расточаемой Солнцем во всех направлениях, попадает на планеты Солнечной системы. На долю Земли приходится лишь малая ее часть, составляющая

	πR2		10−9 ,
	З	≈ 0,45
	4πR2
т.е. около 2 · 108 ГВт или 6300 Q			в год (здесь RЗ = 6400 км =
6,4 · 106 м – радиус Земли, R = 150 млн км = 1,5 · 1011 м – радиус ор-

биты Земли вокруг Солнца). Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.

Оценим плотность потока солнечной энергии qЗ (Вт/м2) в окре-

стности Земли (рис. 6.2).					4πR2	= q 4πR2
Из закона сохранения энергии следует:				q			, где
						3
R и R – радиус Солнца и радиус орбиты Земли вокруг Солнца
соответственно. Отсюда находим
q	= q	(R R)2 ≈1400 Вт/м2	= 1,4 кВт/м2.				(6.6)
3

Как видно, плотность теплового потока от Солнца вблизи Земли составляет почти полтора киловатта на квадратный метр. Приблизительно 28 % этой энергии отражается атмосферой и возвращается в космическое пространство, около 25 % поглощается и превращается в тепло в атмосфере. До поверхности Земли в районе экватора сквозь атмосферу доходит около половины. Среднесуточная плотность потока солнечной энергии не превышает 250 Вт/м2.

Из формулы (6.6) следует также, что по мере удаления от Солнца (с ростом R) плотность потока энергии убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (табл. 6.1). По этой причине использование солнечных батарей (см. далее) на космических аппаратах, направляемых к дальним планетам Солнечной системы, неэффективно.

Гелиоэнергетика. Энергетика, основанная на использовании солнечной энергии в широком смысле, часто именуется как гелио-

177

энергетика (от греч. Helios – Солнце). Использовать огромные ресурсы солнечной энергии пока не удается в больших масштабах. Одни из наиболее серьезных препятствий на этом пути – низкая интенсивность солнечного излучения даже при наилучших атмосферных условиях и непостоянство во времени (день-ночь, яснооблачно, лето-зима и т.п.).

		Таблица 6.1
Средняя плотность потока солнечного излучения (Вт/м2)
	(солнечные постоянные) планет
Планета		Плотность потока излучения
Меркурий		9030
Венера		2590
Земля		1350
Марс		580
Юпитер		50
Сатурн		15
Уран		3,7
Нептун		1,5
Плутон		0,9

Например, на экваторе интенсивность солнечного излучения в среднем за сутки составляет около 250 Вт/м2 (при максимальном значении около полудня почти 1000 Вт/м2). В то же время в современных парогенераторах ТЭС и АЭС тепловой поток в сотнитысячи раз выше (0,1–1,0 МВт/м2), что обеспечивает относительную компактность и меньшую стоимость оборудования. Поэтому главная проблема крупномасштабного использования энергии Солнца в земных условиях – разработка дешевых и надежных методов концентрации его излучения в сотни раз еще до того, как оно превратится в тепло или электричество.

Энергию солнца в энергетических целях можно использовать для получения электричества или для отопления. В настоящее время применяются и развиваются следующие энергетические установки, использующие энергию Солнца:

• солнечные тепловые электростанции (или гелиотерми-ческие станции), в которых концентрированное солнечное излучение используется как источник тепла для традиционного паротурбинного цикла;

178

•полупроводниковые солнечные батареи или солнечные фотоэлектрические преобразователи (системы), в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников (photovoltaics systems – от греческого photos (свет) и названия единицы электрического напряжения – volt);

•солнечные водонагреватели или, более общо, солнечные термальные установки (solar thermal installations), в которых солнечное излучение служит для прямого нагрева воды (или других теплоносителей) в различных коммунальных целях (включая обогрев зданий).

Мировой рынок солнечной энергетики в XXI в. динамично развивается с ежегодным приростом установленной мощности 10– 20 %. Установленная мощность солнечных электро-станций различного типа превышает 20 ГВт.

6.2.Солнечные тепловые электростанции

В соответствие с законами термодинамики повышение коэффициента полезного действия солнечной тепловой электростанции требует увеличения температуры рабочего тела паротурбинного цикла. Поэтому главная задача крупномасштабного использования энергии Солнца – разработка дешевых и надежных методов концентрации его излучения в сотни-тысячи раз на поверхность теплообменника или парогенератора. Достигается это с помощью специальных зеркал (гелиостатов), которые «отслеживают» положение Солнца и фокусируют его излучение на поверхность емкости (коллектора), где нагревается теплоноситель, как в топке (парогенераторе) угольной или газовой ТЭС. Образующийся пар приводит в движение паровую турбину, на одном валу с которой обычно закреплен ротор электрогенератора, вырабатывающего электрический ток.

Разработано три основных типа (системы) солнечных тепловых электростанций (СТЭС) с разными способами концентрации солнечного излучения: параболическая (лотковая), башенная и тарельчатая (рис. 6.3).

На сегодня параболические и башенные установки – наиболее развитые из солнечных энергетических технологий, и именно они,

179

вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе в составе крупных электростанций мощностью 30–200 МВт, соединенных с электросетью. Модульный характер «тарелок» позволяет использовать их в небольших установках.

Параболоцилиндрические концентраторы (гелиостаты) дли-

ной до 50 м ориентируют по оси север–юг и располагают рядами через несколько метров. Гелиостат (желоб) поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволяет упростить систему слежения за Солнцем. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (например, маслом) или фотоэлектрический элемент с системой охлаждения.

Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение «в линию» и может обеспечить его стократную концентрацию на поверхности трубки с теплоносителем. Теплоноситель (например, масло) нагревается в трубке до температуры 300–390 °C и поступает в парогенератор для дальнейшей выработки электроэнергии. Важно напомнить, что конденсаторы паротурбинного цикла должны охлаждаться с помощью внешнего источника воды.

Предполагается, что на таких гелиотермических станциях в перспективе могут быть созданы тепловые аккумуляторы – «хранилища пара», например в виде хранилища расплавленной соли (нагретой до температуры 565 °С), которая сможет обеспечивать работу парогенераторов в течение 16 ч после захода Солнца, т.е. обеспечить практически безостановочную работу турбины. Тогда электроэнергию можно будет вырабатывать и в пасмурные дни, и ночью. Дело в том, что электростанция получает солнечную энергию всего в течение 6–9 ч в зависимости от времени года. В сочетании с тепловым аккумулятором, рассчитанным как минимум на 6-часо- вое действие, возможно обеспечить работу электрогенератора мощностью 100 МВт в течение 10–14 ч. Строительство тепловых аккумуляторов, конечно, повышает стоимость электроэнергии СТЭС.

С 1984 г. в Калифорнии (США) было построено около 10 электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Подобные мощные электростанции построе-

180