1.2. Теоретические основы использования возобновляемых источников энергии

Эффективно использовать возобновляемые источники энергии можно только на основе научно разработанных принципов. Опыт показывает, что прежде чем развивать энергетику на возобновляемых источниках, необходимо точно определить их мощность. Конечно, это требует длительных и регулярных наблюдений и анализа параметров этих источников.

Временные характеристики возобновляемых источников имеют существенное значение. В табл. 2 представлены и основные параметры, определяющие мощность различных источников, и характерные периоды ее изменений, которые могут сильно варьироваться – в зависимости от конкретных местных условий.

Таблица 2

Интенсивность действия возобновляемых источников энергии

Источник	Периодич-ность	Определяющие параметры	Энергетические соотношения	Примечание
Прямое солнечное излучение	24 ч, 1 год	Облученность (Вт/м^2), угол падения излучения	P~G cos(θ), Максимум 1 кВт/м^2	Только в дневное время
Рассеянное солнечное излучение	24 ч, 1 год	Облачность	P<G; P300 Вт/м^2	Тем не менее энергия значительна
Биотопливо	1 год	Качество почвы, облученность, вода, специфика топлива, расходы	Связанная энергия 10 Мдж/кг	Очень много видов топлива. Источники: лесное и сельское хозяйство
Ветер	1 год	Скорость ветра, высота над земной поверхностью	P~uo^3	Флуктуирует b=0.15
Волны	1 год	Амплитуда волны Н и ее период Т	P~Hs^2T	Высокая плотность энергии (~50 кВт/м)
Гидроэнер-гия	1 год	Напор Н, объемный расход воды Q	P~HQ	Искусственно создаваемый источник
Приливы	12 ч 25 мин	Высота прилива R, площадь бассейна А, длина эстуария L, глубина эстуария h	P~R^2A	Увеличение высоты прилива, если имеет значение 36400 м^0,5
Тепловая энергия	Постоянные параметры	Разность температуры воды на поверхности и на глубине	P~(T)^2	Ряд районов в тропиках. Низкая эффективность преобразования энергии

Часто говорят о качестве источника энергии. Мы под качеством энергии будем понимать долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую энергию. Исходя из этого, возобновляемые источники можно разделить на три группы.

1. Источники механической энергии, к примеру, гидроветро-источники, волновые и приливные. Качество энергии этих источников высокое, и они обычно используются для производства электроэнергии. Качество волновой и приливной энергии оценивается в 75%, гидроэнергии – 60%, ветровой энергии – порядка 30%.

2. Тепловыми возобновляемыми источниками энергии является, например, биотопливо и тепловая энергия солнца. Максимальная доля, которая может быть использована для получения механической работы, определяется вторым законом термодинамики. Однако на практике превратить в работу, разрешенным вторым законом термодинамики, удается примерно 50% тепла. Для современных паровых турбин качество тепловой энергии не превышает 35%

3. Источники энергии на основе фотонных процессов, использующие фотосинтез и фотоэлектронные явления. На практике коэффициент полезного действия фото-преобразователей, равный 15%, считается хорошим.

Следует отметить еще одну особенность возобновляемых источников энергии. Они отличаются от истощаемых источников низкой плотностью потока энергии. Например, для солнечного излучения эта величина равна 1 кВт/м², а тепловая нагрузка в трубах паровых котлов порядка 100 кВт/м², а в теплообменниках ядерных реакторов несколько мегаватт на 1 м².

Практика показала, что использование возобновляемых энергоисточников ускоряет развитие сельских и удаленных от мощных энергосистем районов.

Необходимо отметить еще одну важную особенность возобновляемых источников энергии. Прежде всего, ни один источник возобновляемой энергии не является универсальным, пригодным для использования в данном районе. Это определяется конкретными природными условиями и потребностями общества или района. Поэтому для эффективного планирования энергетики на возобновляемых ресурсах необходимы, во-первых, изучение потребностей конкретного региона в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства, транспорта и бытовых нужд.

В этом отношении энергетика на возобновляемых источниках похожа на сельскохозяйственное производство, где рентабельность возделывания той или иной культуры зависит от многих почвенно-климатических условий региона.

Из вышесказанного следует, что невозможно предложить простой и универсальный метод планирования энергетики на возобновляемых источниках ни в международном масштабе, ни в пределах одной страны.

Характерный размер района, в рамках которого разумно планировать энергетику на возобновляемых источниках – порядка 250 км.