Малоиспользуемые энергоресурсы.

Громадные запасы энерго­ресурсов, таких, как энергия ветра, Солнца, геотермаль­ная энергия, энергия, обусловленная разностью темпе­ратур в глубинах океанов и на поверхности, и т. д., ис­пользуются совершенно незначительно.

В России теоретические и экспериментальные работы по ветродвигателям начали проводиться еще в 1920-х годах, в результате чего для нужд сельского хозяйства были разработаны многолопастные ветродвигатели цельнометаллической конструкции диаметром 5-8 м (ТВ-5 и ТВ-8). Массовое производство этих установок относится к 1936 г., когда было построено 1300 установок, укомплектованных поршневыми насосами. Производительность ТВ-5 составляла 1 м /ч при скорости 3 м/с и 5 м /ч при скорости ветра 5 м/с. ТВ-8 обеспечивала в 3-3, 5 раза большую производительность.

К довоенному периоду относится также разработка ВЭУ с ветроколесами диаметром 8 и 12 м. Последний агрегат был укомплектован генератором 15 ООО Вт. Он использовался на 16-ти станциях Северного морского пути и показал высокую надежность в работе в условиях Крайнего Севера.

Фамилии специалистов, ученых, которые разрабатывали ветроустановки, исследовали принципы и возможности использования ветроресурсов, — эти фамилии достаточно известны не только в сфере изобретательства. Достаточно вспомнить одного из основоположников космонавтики Юрия Владимировича Кондратюка, руководившего разработкой рабочего проекта мощной (по тем временам — мощнейшей) Крымской ветроэлектрической станции. Эта станция была построена в 1931 году недалеко от Севастополя. Мощность станции составляла 100 кВт, она имела ветроколеса диаметром 30 м и была оснащена асинхронным генератором. Станция работала очень успешно на местную энергосистему.

Кстати сказать, эти разработки положили начало широкомасштабной научно-исследовательской и практической работе по ветродвигателям и ветроустановкам: руководством страны было принято решение о переходе на проектирование и строительство маломощных ветроэлектростанций, для чего был создан Ветросектор при Теплоэлектропроекте. Начальником этого сектора стал Юрий Васильевич Кондратюк. Осенью 1939 года им в соавторстве с П.К. Горчаковым была опубликована статья «Основные характеристики и перспективы ветроэнергетики» в журнале «Электрические станции». Вплоть до ухода добровольцем на фронт в июле 1941 Ю.В. Кондратюк руководил отделом по проектированию маломощных ветроэлектростанций ВЭС-2-Д-20 на 100 кВт и ВЭС-2-Д-30 на 250 кВт.

Кондратюком было сделано многое для становления ветроэнергетики в СССР. Уровень же Кондратюка как ученого можно оценить хотя бы по тому, что его работы в значительной степени способствовали развитию космонавтики в нашей стране.

Изготавливались экспериментальные модели, начиналось серийное производство. Однако многому помешала война. Крымская ВЭС была разрушена, заводы, выпускавшие до войны комплектующие для ветродвигателей и сами ветроустановки, во время войны были переориентированы на военные нужны, а после войны — на масштабное восстановление народного хозяйства. Поэтому послевоенное время ознаменовалось не только началом использования атомной энергии, но и ориентацией как в промышленности, так и в производстве энергии на централизованные системы, а это требовало создания мощных энергоузлов, линий электропередач.

Тем не менее в 50-х в СССР ветродвигатели выпускали 44 завода. Максимальный уровень производства был достигнут в 1955 г. — 9142 шт. Наибольшим спросом пользовался ветродвигатель ТВ-8, который стал применяться не только для различных видов водопользования, но и для переработки кормов. На водоснабжение ферм в России в 7-ми областях в 1958 году работали 2352 установки. Ветродвигатели окупали себя за 1-2 года работы. Ветродвигатель Д-12 также использовался для механизации трудоемких процессов в животноводстве и для водоснабжения. Более 3 тысяч радиоузлов в стране в 1956 питалось от аккумуляторных батарей, заряжаемых с помощью ветроэлектрических агрегатов типа ВЭ-2 мощностью 100 кВт.

На базе ветроагрегата Д-18 была создана ветро-дизельная электростанция мощностью 25 кВт и многоагрегатная станция мощностью 400 кВт.

С развитием централизованного электроснабжения и электрификации сельского хозяйства ВЭУ стали терять свое прежнее значение для села. Задачей ветроэнергетики на современном этапе стало обеспечение энергией удаленных потребителей.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремились учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, осо­бенно в Дании и Голландии — классических странах ветряных мельниц.

Солнечная энергетика.

Солнечная энергетика (СЭ) – одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии. По оценкам специалистов (German Advisory Council on Global change, 2003, рисунок 1), к 2100 году солнце станет доминирующим источником энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается.

Опыт этих стран показывает, что при определенных климатических, экономических и политических условиях солнечная энергетика уже сегодня может стать реальным конкурентом традиционной энергетике.

Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов, в том числе возобновляемых. Использование всего лишь 0, 0125% солнечной энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0, 5% – полностью покрыть потребности в будущем. Потенциал солнечной энергии настолько велик, что, по существующим оценкам, солнечной энергии, поступающей на Землю каждую минуту, достаточно для того, чтобы удовлетворить текущие глобальные потребности человечества в энергии в течение года.

По используемому принципу преобразования солнечной энергии солнечные энергоустановки делятся на фотоэлектрические, реализующие метод прямого (безмашинного) преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП, или «солнечная батарея», «солнечный модуль»), и термодинамические, в которых солнечная энергия преобразуется сначала в тепло, которое в термодинамическом цикле тепловой машины, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию, а затем в генераторе – в электрическую. Наиболее широкое распространение в мире получили именно солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ).

Солнечная энергетика, пожалуй, - одно из наиболее динамично развивающихся направлений в мире. 13 апреля 2000 года была создана European Renewable Energy Council (EREC) - зонтичная организация европейских компаний, работающих в области производства, продажи и исследований устройств возобновляемой энергетики: солнечной-, гидро-, био-, геотермальной и ветроэнергетики. EPIA, как одна из входящих в организацию компаний, - это самое крупное в мире отраслевое объединение на рынке солнечной энергетики. EPIA расшифровывается как European Photovoltaic Industry Association. Его секретариат находится в “Renewable Energy House” в Брюсселе. Целями EPIA являются продвижение устройств солнечной энергетики (далее просто PV), на национальном, европейском и мировом уровнях, поддержка членов ассоциации в развитии бизнеса в Европейском Союзе и за его пределами. Организация информирует о новых законах в области солнечной энергетики, занимается также и прогнозированием рынка. Благодаря уже многолетним связям с производителями устройств солнечной энергетики, энергетическими компаниями, политическими образованиями стран по всему миру, EPIA удается создавать довольно точные прогнозы по развитию PV в странах мира: краткосрочные и долгосрочные. " The EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics (PV) from 2010 to 2014" - наиболее известная публикация EPIA, появившаяся после ежегодного семинара по солнечной энергетике, рыночном потенциале и производственным возможностям в Риме в марте 2010 года.

Интересное замечание: если покрыть хотя бы 0, 7% земной поверхности солнечными батареями, КПД которых составляет всего 10% (напомню, что в среднем КПД современных батарей около 15%), то полученная энергия обеспечит потребности всего человечества более чем на 100% - 20ТВт против потребляемых 14ТВт. В общем говоря, используют не Вт, а Втп (от английского Wp - Watt peak) - пиковую мощность, то есть номинальную мощность в нормальных условиях (максимальную номинальную мощность при световом потоке в 1000 Вт/м², спектр которого приближен к солнечному и температуре 25°C). Но далее мы будем писать Вт (МВт, ГВт, ТВт), подразумевая Втп.

По прогнозам EPIA мощность всех установленных на планете PV к концу 2010 года вырастет на 10.1 ГВт (прогноз " умеренный") и 15.5 ГВт (прогноз " при условии господдержки" - благоприятном законодательстве, отсутствии бюрократических проволочек и пр.). Для сравнения: суммарная мощность, потребляемая человечеством при условии непрерывного ее использования составляет 13 ТВт (Т=терра=10¹²) или 4.1 × 1020 Дж/год. К 2014 году суммарная мощность может увеличиться на 30 ГВт, конечно при условии проведения соответствующей государственной политики и состояния энергетического комплекса в целом. За последнее десятилетие солнечная энергетика сделала большой рывок. Суммарная мощность установленных и функционирующих на планете PV составила 16 ГВт, и к концу 2009 - 23 ГВт. При этом 70% мирового PV составляет европейский. EU (European Union - Евросоюз) сделал неимоверный рывок в продвижении данной технологии на свой рынок, заняв лидирующие позиции, и даже опередив США и Японию (рисунок).

Рис. Ежегодный прирост солнечной энергетики по странам мира

Каковы же перспективы у гелиоэнергетики в России? Полное количество энергии солнца, поступающей на поверхность нашей Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов газа, нефти, угля и урана. А в России наибольший теоретический потенциал, свыше 2000 миллиардов тонн условного топлива, имеет солнечная энергия. Эта мощь, реально поступающая всего за три дня на территорию России, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране! Однако, невзирая на громадный потенциал, в новой энергопрограмме России вклад альтернативных источников энергии определен все ещё в очень малом объеме.

Широкое использование солнечной энергетики в России имеет большое значение, так как более 10 млн. граждан нашей страны на сегодняшний день проживают без централизованного энергоснабжения. Солнечная энергетика в России обладает огромным потенциалом для ее использования, особенно в Краснодарском крае и Ставрополье, Якутии и Магаданской области. До трехсот солнечных дней в году доходит во многих регионах Сибири и на юге страны. Такое же климатическое состояние имеет место в Южной Европе, где ФЭС активно используются. Применение солнечной энергетики в России особенно полезным будет для регионов, где подключение к единой энергосистеме обойдется слишком дорого. К таким регионам относятся отдаленные районы Восточной Сибири и Дальнего Востока, на долю которых выпадает достаточное количество солнечных часов.

В России практическое использование солнечной энергии крайне ограничено, несмотря на широкие исследования, которые проводились и проводятся в этом направлении. В стране существует лишь несколько производств солнечных модулей, которые являются основой солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) различных типов, и очень ограниченный сегмент потребителей, готовых приобретать СФЭУ. Осведомленность о существовании и возможностях солнечной энергетики находится на низком уровне, отсутствуют законодательные нормы, поддерживающие производство и использование СФЭУ.