Генерация энергии это: Генерация электрической энергии и виды электростанций — Мегаобучалка

Содержание

Развитие энергетики - Energy development

Развитие энергетики

Общее мировое производство первичной энергии

Обратите внимание на разные оси Y для общих (слева) и региональных кривых (справа).

Энергопотребление / расход энергии в США в 2011 г.

Диаграммы потоков энергии показывают относительный размер первичных энергоресурсов и конечного использования в Соединенных Штатах, а топливо сравнивается на основе общих единиц энергии (2011: 97,3 квадрата ).
Соединения и лучистая энергия

    Солнечная

    Ядерная

    Гидро

    ветер

    Геотермальный

    Натуральный газ

    Каменный уголь

    Биомасса

    Нефть

Создание электрических токов / использование передаваемых эффектов

    Производство электроэнергии

    Жилой, коммерческий, промышленный, транспортный

    Отклоненная энергия (отходящее тепло)

    Энергетические услуги

Энергетическое развитие - это сфера деятельности, направленная на получение источников энергии из природных ресурсов. Эти виды деятельности включают производство традиционных, альтернативных и возобновляемых источников энергии, а также восстановление и повторное использование энергии , которая в противном случае была бы потрачена впустую. Меры по энергосбережению и повышению эффективности снижают потребность в развитии энергетики и могут принести пользу обществу за счет улучшения экологических проблем .

Общества используют энергию для транспорта, производства, освещения, отопления и кондиционирования воздуха, а также связи в промышленных, коммерческих и бытовых целях. Энергетические ресурсы могут быть классифицированы как первичные ресурсы, где ресурс может использоваться по существу в его первоначальной форме, или как вторичные ресурсы, когда источник энергии должен быть преобразован в более удобную для использования форму. Невозобновляемые ресурсы значительно истощаются в результате использования человеком, тогда как возобновляемые ресурсы производятся в ходе текущих процессов, которые могут поддерживать неограниченную эксплуатацию человека.

Тысячи людей заняты в энергетике . Традиционная промышленность включает нефтяную промышленность , газовую промышленность, электроэнергетику и атомную промышленность . Новые энергетические отрасли включают в себя возобновляемую энергетику , включающую альтернативное и устойчивое производство, распределение и продажу альтернативных видов топлива .

Классификация ресурсов

Модель открытой системы (основы)

Энергетические ресурсы могут быть классифицированы как первичные ресурсы, подходящие для конечного использования без преобразования в другую форму, или вторичные ресурсы, когда полезная форма энергии требует существенного преобразования из первичного источника. Примерами первичных энергоресурсов являются энергия ветра , солнечная энергия , древесное топливо, ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и природный газ, а также уран. Вторичные ресурсы - это электричество, водород или другое синтетическое топливо.

Другая важная классификация основана на времени, необходимом для регенерации энергетического ресурса. «Возобновляемые» ресурсы - это те ресурсы, которые восстанавливают свою мощность в течение времени, значимого для потребностей человека. Примерами являются гидроэлектроэнергия или энергия ветра, когда природные явления, которые являются основным источником энергии, продолжаются и не исчерпываются человеческими потребностями. Невозобновляемые ресурсы - это те ресурсы, которые значительно истощены в результате использования людьми и которые не могут значительно восстановить свой потенциал в течение жизни человека. Примером невозобновляемого источника энергии является уголь, который естественным образом не образуется с такой скоростью, которая могла бы поддерживать его использование человеком.

Ископаемое топливо

Источники ископаемого топлива ( первичные невозобновляемые ископаемые

) сжигают уголь или углеводородное топливо, которые являются остатками разложения растений и животных. Есть три основных типа ископаемого топлива: уголь, нефть и природный газ . Еще одно ископаемое топливо, сжиженный углеводородный газ (СНГ), в основном получают при производстве природного газа. Тепло от сжигания ископаемого топлива используется либо непосредственно для обогрева помещений и технологического обогрева, либо преобразуется в механическую энергию для транспортных средств, промышленных процессов или производства электроэнергии . Эти ископаемые виды топлива являются частью углеродного цикла и, таким образом, позволяют использовать накопленную солнечную энергию сегодня.

Использование ископаемого топлива в 18-19 веках подготовило почву для промышленной революции .

Ископаемые виды топлива составляют основную часть нынешних мировых источников первичной энергии . В 2005 году 81% мировых потребностей в энергии был удовлетворен за счет ископаемых источников. Технология и инфраструктура для использования ископаемого топлива уже существуют.

Жидкое топливо, полученное из нефти, дает много полезной энергии на единицу веса или объема, что является преимуществом по сравнению с источниками с более низкой плотностью энергии, такими как аккумулятор . Ископаемые виды топлива в настоящее время экономичны для децентрализованного использования энергии.

Энергетическая зависимость от импортируемого ископаемого топлива создает риски для энергетической безопасности зависимых стран. В частности, нефтяная зависимость привела к войне, финансированию радикалов, монополизации и социально-политической нестабильности.

Ископаемое топливо - невозобновляемые ресурсы, производство которых в конечном итоге сократится и будет исчерпано. В то время как процессы, которые привели к созданию ископаемого топлива, продолжаются, топливо потребляется намного быстрее, чем естественная скорость восполнения. Добыча топлива становится все более дорогостоящей, поскольку общество потребляет наиболее доступные запасы топлива.

Добыча ископаемого топлива приводит к ухудшению состояния окружающей среды , например, добыча угля на обнажении и горная вывозка .

Топливная эффективность - это форма термической эффективности , означающая эффективность процесса, который преобразует химическую потенциальную энергию, содержащуюся в топливе- носителе, в кинетическую энергию или работу . Экономия топлива является энергетическая эффективность конкретного транспортного средства, определяется как отношение пройденного расстояния на единицу топлива потребляется. Эффективность по удельному весу (эффективность на единицу веса) может быть указана для грузовых перевозок , а эффективность по пассажирам (эффективность автомобиля на пассажира). Неэффективное атмосферное сжигание (сжигание) ископаемых видов топлива в транспортных средствах, зданиях и электростанциях способствует возникновению городских тепловых островов .

Традиционно добыча нефти достигла своего пика в период с 2007 по 2010 год.

По оценкам, в 2010 году потребуются инвестиции в невозобновляемые ресурсы в размере 8 триллионов долларов для поддержания текущего уровня добычи в течение 25 лет. В 2010 году правительства субсидировали ископаемое топливо примерно на 500 миллиардов долларов в год. Ископаемое топливо также является источником выбросов парниковых газов, что вызывает опасения по поводу глобального потепления, если потребление не сократится.

Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу загрязняющих веществ в атмосферу. Ископаемое топливо состоит в основном из углеродных соединений. Во время сгорания , углекислый газ высвобождается, а также оксиды азота , сажу и другие мелкие твердые частицы . Искусственный углекислый газ согласно МГЭИК способствует глобальному потеплению . Другие выбросы электростанции, работающей на ископаемом топливе, включают двуокись серы , окись углерода (CO), углеводороды , летучие органические соединения (ЛОС), ртуть , мышьяк , свинец , кадмий и другие тяжелые металлы, включая следы урана .

Типичная угольная электростанция вырабатывает миллиарды киловатт-часов в год.

Ядерная

Деление

Ядерная энергия - это использование ядерного деления для выработки полезного тепла и электроэнергии . Деление урана дает почти всю экономически значимую ядерную энергетику. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы составляют очень небольшой компонент выработки энергии, в основном в специализированных приложениях, таких как космические аппараты.

Атомные электростанции , за исключением военно-морских реакторов , в 2012 году обеспечивали около 5,7% мировой энергии и 13% мировой электроэнергии.

В 2013 году МАГАТЭ сообщило, что в 31 стране эксплуатируется 437 ядерных энергетических реакторов , хотя не каждый реактор производит электроэнергию. Кроме того, в эксплуатации находится около 140 военно-морских судов, использующих ядерные силовые установки , на которых установлено около 180 реакторов. По состоянию на 2013 год получение чистого прироста энергии за счет устойчивых реакций ядерного синтеза, за исключением естественных источников энергии термоядерного синтеза, таких как Солнце , остается постоянной областью международных физических и технических исследований . Спустя более 60 лет после первых попыток коммерческое производство термоядерной энергии остается маловероятным до 2050 года.

Продолжаются дискуссии по поводу ядерной энергетики . Сторонники, такие как Всемирная ядерная ассоциация , МАГАТЭ и Защитники ядерной энергии, утверждают, что ядерная энергия является безопасным и устойчивым источником энергии, который снижает выбросы углерода . Противники утверждают, что ядерная энергетика представляет множество угроз для людей и окружающей среды .

Аварии на атомных электростанциях включают чернобыльскую катастрофу (1986 г.), ядерную катастрофу на Фукусима-дайити (2011 г.) и аварию на Три-Майл-Айленде (1979 г. ). Были и аварии с атомными подводными лодками. Что касается количества потерянных жизней на единицу произведенной энергии, анализ показал, что ядерная энергия вызвала меньше человеческих жертв на единицу произведенной энергии, чем другие основные источники выработки энергии. Производство энергии из угля , нефти , природного газа и гидроэнергетики привело к большему количеству смертельных случаев на единицу произведенной энергии из-за загрязнения воздуха и последствий энергетических аварий . Однако экономические издержки аварий на атомных электростанциях высоки, и на ликвидацию последствий аварии могут уйти десятилетия. Человеческие затраты на эвакуацию пострадавшего населения и потерю средств к существованию также значительны.

Сравнение скрытых смертей от рака, например рака, с другими источниками энергии: немедленная смерть на единицу произведенной энергии (GWeyr). Это исследование не включает рак, связанный с использованием ископаемого топлива, и другие косвенные смертельные случаи, вызванные использованием ископаемого топлива, в его классификацию «тяжелых несчастных случаев», в результате чего погибло бы более 5 человек.

По состоянию на 2012 год, по данным МАГАТЭ , во всем мире строилось 68 гражданских ядерных энергетических реакторов в 15 странах, примерно 28 из которых в Китайской Народной Республике (КНР), с последним ядерным энергетическим реактором, по состоянию на май 2013 года, для подключения к электросети , которое состоится 17 февраля 2013 года на АЭС Хунъянхэ в КНР. В Соединенных Штатах на заводе Vogtle строятся два новых реактора поколения III . Представители ядерной отрасли США ожидают, что к 2020 году в эксплуатацию будут введены пять новых реакторов, все на существующих АЭС. В 2013 г. были окончательно закрыты четыре устаревших неконкурентоспособных реактора.

В недавних экспериментах по добыче урана используются полимерные веревки, покрытые веществом, избирательно поглощающим уран из морской воды. Этот процесс может сделать значительный объем урана, растворенного в морской воде, пригодным для производства энергии. Поскольку текущие геологические процессы переносят уран в море в количествах, сопоставимых с количеством, которое было бы извлечено с помощью этого процесса, в определенном смысле морской уран становится устойчивым ресурсом.

Атомная энергетика - это низкоуглеродный метод производства электроэнергии, при котором анализ литературы по общей интенсивности выбросов в течение жизненного цикла показывает, что она аналогична возобновляемым источникам при сравнении выбросов парниковых газов (ПГ) на единицу произведенной энергии. С 1970 года ядерное топливо смещается около 64 Гт в эквиваленте диоксида углерода (ГтСО2-экв) парниковых газов , которые бы в противном случае в результате при сжигании нефти, угля или природного газа в электростанциях на ископаемом топливе .

Анализ 123 стран за 25 лет, опубликованный в октябре 2020 года, показал, что внедрение возобновляемых источников энергии, как правило, связано со значительно более низкими выбросами углерода, в то время как более крупные национальные ядерные установки - нет. Кроме того, исследование показало, что противоречия между этими двумя национальными стратегиями развития энергетики могут снизить их эффективность с точки зрения смягчения последствий изменения климата . К ним относятся различные требования к инфраструктуре и отрицательная связь между масштабами национальных ядерных и возобновляемых источников энергии.

Поэтапный отказ от атомной энергетики и отказ от нее

Авария на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии в 2011 году , которая произошла в конструкции реактора 1960-х годов , вызвала переосмысление политики ядерной безопасности и ядерной энергии во многих странах. Германия решила закрыть все свои реакторы к 2022 году, а Италия запретила ядерную энергетику. После Фукусимы в 2011 году Международное энергетическое агентство вдвое снизило оценку дополнительных ядерных генерирующих мощностей, которые должны быть построены к 2035 году.

Фукусима

После ядерной катастрофы на Фукусима-дайити 2011 года - второго по значимости ядерного инцидента , в результате которого 50 000 домохозяйств были перемещены после утечки радиоактивных материалов в воздух, почву и море, и с последующими радиационными проверками, которые привели к запрету на некоторые поставки овощей и рыбы, - всемирная общественная поддержка был опубликован обзор источников энергии, проведенный Ipsos (2011), и ядерное деление оказалось наименее популярным

Экономика деления
Низкая глобальная общественная поддержка ядерного деления после аварии на Фукусиме ( Ipsos -survey, 2011)

Экономика новых атомных электростанций - спорная тема, поскольку мнения по этому поводу расходятся, а многомиллиардные инвестиции зависят от выбора источника энергии. Атомные электростанции обычно имеют высокие капитальные затраты на строительство станции, но низкие прямые затраты на топливо. В последние годы рост спроса на электроэнергию замедлился, и финансирование стало более трудным, что сказывается на крупных проектах, таких как ядерные реакторы, с очень большими первоначальными затратами и длительными проектными циклами, которые несут в себе большое количество разнообразных рисков. В Восточной Европе ряд давно реализованных проектов с трудом удается найти финансирование, в частности, Белене в Болгарии и дополнительные реакторы на Чернаводе в Румынии, и некоторые потенциальные спонсоры отказались от финансирования. Там, где доступен дешевый газ и его будущие поставки относительно надежны, это также создает серьезную проблему для ядерных проектов.

Анализ экономики ядерной энергетики должен учитывать, кто несет риски будущих неопределенностей. На сегодняшний день все действующие атомные электростанции были разработаны государственными или регулируемыми коммунальными монополиями, где многие риски, связанные с затратами на строительство, эксплуатационными характеристиками, ценой на топливо и другими факторами, несут потребители, а не поставщики. Многие страны в настоящее время либерализовали рынок электроэнергии, где эти риски и риск появления более дешевых конкурентов до возмещения капитальных затрат ложатся на поставщиков и операторов станций, а не на потребителей, что приводит к существенно иной оценке экономики новой ядерной энергетики. растения.

Расходы

Затраты на действующие в настоящее время и новые атомные электростанции, вероятно, вырастут из-за повышенных требований к обращению с отработавшим топливом на площадке и повышенных проектных угроз. Хотя первые в своем роде проекты, такие как строящиеся EPR, отстают от графика и превышают бюджет, из семи южнокорейских APR-1400, которые в настоящее время строятся во всем мире, два находятся в Южной Корее на АЭС Ханул и четыре находятся в крупнейший проект строительства атомной станции в мире по состоянию на 2016 год в Объединенных Арабских Эмиратах на планируемой АЭС Барака . Первый реактор, Бараках-1, готов на 85% и по графику подключения к сети в 2017 году. Два из четырех строящихся реакторов EPR (в Финляндии и Франции) значительно отстают от графика и существенно превышают затраты.

Возобновляемые источники

Возобновляемая энергия обычно определяется как энергия, которая поступает из ресурсов, которые естественным образом пополняются в человеческом масштабе времени, таких как солнечный свет , ветер , дождь , приливы , волны и геотермальное тепло . Возобновляемая энергия заменяет традиционные виды топлива в четырех различных областях: производство электроэнергии , горячее водоснабжение / отопление помещений , моторное топливо и услуги электроснабжения в сельской местности (вне сети) .

Около 16% мирового конечного потребления энергии в настоящее время приходится на возобновляемые ресурсы , 10% всей энергии - на традиционную биомассу , в основном используемую для отопления , и 3,4% - на гидроэлектроэнергию . Новые возобновляемые источники энергии (малая гидроэнергетика, современная биомасса, ветер, солнечная энергия, геотермальная энергия и биотопливо) составляют еще 3% и быстро растут. На национальном уровне по меньшей мере 30 стран мира уже имеют возобновляемые источники энергии, на которые приходится более 20% энергоснабжения. Согласно прогнозам, национальные рынки возобновляемых источников энергии будут продолжать активно расти в ближайшее десятилетие и в последующие годы. Например, ветроэнергетика растет со скоростью 30% в год, а установленная мощность по всему миру на конец 2012 года составила 282 482 мегаватт (МВт).

Возобновляемые источники энергии существуют на обширных географических территориях, в отличие от других источников энергии, которые сосредоточены в ограниченном числе стран. Быстрое внедрение возобновляемых источников энергии и энергоэффективности приводит к значительной энергетической безопасности , смягчению последствий изменения климата и экономическим выгодам. Международные опросы общественного мнения находят сильную поддержку в продвижении возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра.

Хотя многие проекты в области возобновляемых источников энергии являются крупномасштабными, технологии возобновляемых источников также подходят для сельских и отдаленных районов и развивающихся стран , где энергия часто имеет решающее значение для человеческого развития . Организации Объединенных Наций по Генеральный секретарь " Пан Ги Мун заявил , что использование возобновляемых источников энергии имеет возможность поднять беднейшие страны на новый уровень благосостояния.

Гидроэлектроэнергия

Гидроэлектроэнергия - это электроэнергия, вырабатываемая гидроэнергетикой ; сила падающей или текущей воды. В 2015 году гидроэнергетика произвела 16,6% всей электроэнергии в мире и 70% всей возобновляемой электроэнергии, и ожидается, что она будет увеличиваться примерно на 3,1% ежегодно в течение следующих 25 лет.

Гидроэнергетика производится в 150 странах, при этом в Азиатско-Тихоокеанском регионе в 2010 году вырабатывается 32 процента мировой гидроэнергетики. Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии: в 2010 году произведено 721 тераватт-час, что составляет около 17 процентов внутреннего потребления электроэнергии. В настоящее время существует три гидроэлектростанции мощностью более 10 ГВт: плотина Три ущелья в Китае, плотина Итайпу на границе Бразилии и Парагвая и плотина Гури в Венесуэле.

Стоимость гидроэлектроэнергии относительно невысока, что делает ее конкурентоспособным источником возобновляемой электроэнергии. Средняя стоимость электроэнергии гидроэлектростанции мощностью более 10 мегаватт составляет от 3 до 5 центов США за киловатт-час. Гидроэнергетика также является гибким источником электроэнергии, поскольку установки можно очень быстро наращивать и уменьшать, чтобы адаптироваться к изменяющимся потребностям в энергии. Однако строительство плотин прерывает течение рек и может нанести вред местным экосистемам, а строительство больших плотин и водохранилищ часто связано с перемещением людей и диких животных. После строительства гидроэлектростанции проект не производит прямых отходов и имеет значительно более низкий уровень выбросов парникового газа углекислого газа, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе .

ветер

Энергия ветра использует силу ветра для приведения в движение лопастей ветряных турбин . Эти турбины вызывают вращение магнитов , что создает электричество. На ветряных электростанциях обычно строятся ветряные башни вместе . Есть морские и наземные ветряные электростанции. Мировые мощности ветроэнергетики быстро увеличились до 336 ГВт в июне 2014 года, а производство энергии ветра составило около 4% от общего мирового потребления электроэнергии и быстро растет.

Энергия ветра широко используется в Европе , Азии и США . Некоторые страны достигли относительно высоких уровней проникновения ветровой энергии, например, 21% стационарного производства электроэнергии в Дании , 18% в Португалии , 16% в Испании , 14% в Ирландии и 9% в Германии в 2010 году. раз более 50% электроэнергии в Германии и Испании производится за счет энергии ветра и солнца. По состоянию на 2011 год 83 страны мира используют ветроэнергетику на коммерческой основе.

Многие из крупнейших в мире наземных ветряных электростанций расположены в США , Китае и Индии . Большинство крупнейших в мире оффшорных ветряных электростанций расположены в Дании , Германии и Великобритании . Двумя крупнейшими оффшорными ветряными электростанциями в настоящее время являются London Array и Gwynt y Môr мощностью 630 МВт .

Солнечная

Солнечная энергия , сияющий свет и тепло от солнца , обуздана с использованием целого ряда постоянно меняющихся технологий , таких как солнечное отопление , солнечные фотоэлектрические , солнечной тепловой электроэнергии , солнечной архитектуры и искусственного фотосинтеза .

Солнечные технологии в целом характеризуются как пассивные солнечные или активные солнечные, в зависимости от того, как они захватывают, преобразовывают и распределяют солнечную энергию. Активные солнечные технологии включают использование фотоэлектрических панелей и солнечных тепловых коллекторов для использования энергии. Пассивные солнечные технологии включают ориентацию здания на Солнце, выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светорассеивающими свойствами, а также проектирование пространств с естественной циркуляцией воздуха .

В 2011 году Международное энергетическое агентство говорит , что «развитие доступного, неисчерпаемые и экологически чистых технологий использования солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это повысит энергетическую безопасность стран за счет опоры на коренной, неисчерпаемый и в основном импорт-независимый ресурс , повысить устойчивость , сократить загрязнение, снизить затраты на смягчение последствий изменения климата и удерживать цены на ископаемое топливо на более низком уровне. Эти преимущества носят глобальный характер. Следовательно, дополнительные затраты на стимулы для раннего развертывания следует рассматривать как инвестиции в обучение; они должны быть разумно потрачены и должны быть широко распространены ". Более 100 стран используют солнечные фотоэлектрические системы.

Фотогальваника (ФЭ) - это метод производства электроэнергии путем преобразования солнечного излучения в электричество постоянного тока с использованием полупроводников, которые проявляют фотоэлектрический эффект . В производстве фотоэлектрической энергии используются солнечные панели, состоящие из нескольких солнечных элементов, содержащих фотоэлектрический материал. Материалы, используемые в настоящее время для фотоэлектрических систем, включают монокристаллический кремний , поликристаллический кремний , аморфный кремний , теллурид кадмия и селенид / сульфид меди, индия, галлия . В связи с повышенным спросом на возобновляемые источники энергии в последние годы значительно продвинулось производство солнечных элементов и фотоэлектрических батарей .

Солнечная фотоэлектрическая энергия - это устойчивый источник энергии. К концу 2018 года по всему миру было установлено в общей сложности 505 ГВт, из которых в том же году было установлено 100 ГВт.

Благодаря достижениям в области технологий и увеличению масштабов производства и сложности производства, стоимость фотоэлектрических элементов неуклонно снижалась с момента производства первых солнечных элементов, а приведенная стоимость электроэнергии ( LCOE ) от фотоэлектрических систем может конкурировать с традиционными источниками электроэнергии в расширяющемся списке географические регионы. Чистые измерения и финансовые стимулы, такие как льготные льготные тарифы на электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, поддержали установку солнечных панелей во многих странах. Срок окупаемости энергии (EPBT), также известный как амортизация энергии , зависит от годовой солнечной инсоляции и температурного профиля, а также от используемого типа фотоэлектрической технологии. Для традиционных фотоэлектрических систем на основе кристаллического кремния EPBT выше, чем для тонкопленочных технологий, таких как системы CdTe-PV или CPV . Более того, в последние годы срок окупаемости снизился благодаря ряду улучшений, таких как повышение эффективности солнечных элементов и более экономичные производственные процессы. По данным на 2014 г., фотоэлектрические элементы окупают энергию, необходимую для их производства, в среднем за 0,7–2 года. Это приводит к примерно 95% чистой чистой энергии, производимой солнечной солнечной фотоэлектрической системой на крыше в течение 30-летнего срока службы. Установки могут быть смонтированы на земле (а иногда и интегрированы с земледелием и выпасом) или встроены в крышу или стены здания (либо фотоэлектрические элементы, встроенные в здание, либо просто на крыше).

Биотопливо

Биотопливо - это топливо, которое содержит энергию недавней геологической фиксации углерода . Эти виды топлива производятся из живых организмов . Примеры такой фиксации углерода встречаются у растений и микроводорослей . Эти виды топлива получают путем преобразования биомассы (биомасса относится к недавно живым организмам, чаще всего к растениям или материалам растительного происхождения). Эту биомассу можно преобразовать в удобные энергосодержащие вещества тремя различными способами: термическое преобразование, химическое преобразование и биохимическое преобразование. Это преобразование биомассы может привести к получению топлива в твердой , жидкой или газовой форме. Эта новая биомасса может использоваться для производства биотоплива. Популярность биотоплива возросла из-за роста цен на нефть и необходимости обеспечения энергетической безопасности .

Биоэтанол - это спирт , получаемый путем ферментации , в основном из углеводов, производимых в сахарных или крахмальных культурах, таких как кукуруза или сахарный тростник . Целлюлозная биомасса , полученная из непродовольственных источников, таких как деревья и травы, также разрабатывается в качестве сырья для производства этанола. Этанол можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно он используется в качестве добавки к бензину для повышения октанового числа и снижения выбросов транспортных средств. Биоэтанол широко используется в США и Бразилии . Текущий проект завода не предусматривает преобразование лигниновой части растительного сырья в компоненты топлива путем ферментации.

Биодизель производится из растительных масел и животных жиров . Биодизель можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве добавки к дизельному топливу для снижения уровня твердых частиц, окиси углерода и углеводородов в транспортных средствах с дизельным двигателем. Биодизельное топливо производится из масел или жиров путем переэтерификации и является наиболее распространенным биотопливом в Европе. Однако в настоящее время ведутся исследования по производству возобновляемого топлива путем декарбоксилирования.

В 2010 году мировое производство биотоплива достигло 105 миллиардов литров (28 миллиардов галлонов США), что на 17% больше, чем в 2009 году, а биотопливо обеспечивало 2,7% мирового топлива для автомобильного транспорта, в основном за счет этанола и биодизеля. Мировое производство этанола в 2010 году достигло 86 миллиардов литров (23 миллиарда галлонов США), при этом Соединенные Штаты и Бразилия являются ведущими мировыми производителями, на которые в совокупности приходится 90% мирового производства. Крупнейшим производителем биодизеля в мире является Европейский Союз , на долю которого в 2010 г. приходилось 53% всего производства биодизеля. По состоянию на 2011 г. предписания по смешиванию биотоплива существуют в 31 стране на национальном уровне и в 29 штатах или провинциях. Международное энергетическое агентство имеет цель для биотоплива для удовлетворения более четверти мирового спроса на транспортные топлива к 2050 году , чтобы уменьшить зависимость от нефти и угля.

Геотермальный

Геотермальная энергия - это тепловая энергия, которая генерируется и хранится на Земле. Тепловая энергия - это энергия, определяющая температуру вещества. Геотермальная энергия земной коры происходит от первоначального образования планеты (20%) и от радиоактивного распада минералов (80%). Геотермальный градиент , который представляет собой разность температур между ядром планеты и ее поверхностью, приводит в действии непрерывной проводимости тепловой энергии в виде тепла от сердцевины к поверхности. Прилагательное геотермальный происходит от греческих корней γη (ge) , что означает земля, и θερμος (термос) , что означает горячий.

Внутреннее тепло Земли - это тепловая энергия, генерируемая в результате радиоактивного распада и постоянных потерь тепла от образования Земли. Температура на границе ядро-мантия может достигать более 4000 ° C (7200 ° F). Высокая температура и давление в недрах Земли заставляют некоторые породы плавиться, а твердая мантия ведет себя пластически, в результате чего части мантии конвектируются вверх, поскольку они легче окружающей породы. Камни и вода нагреваются в коре, иногда до 370 ° C (700 ° F).

Геотермальная энергия из горячих источников использовалась для купания со времен палеолита и для отопления помещений с древнеримских времен, но теперь она более известна для производства электроэнергии . В 2012 году во всем мире 11 400 мегаватт (МВт) геотермальной энергии были подключены к сети в 24 странах. В 2010 году для централизованного теплоснабжения, отопления помещений, спа-салонов, промышленных процессов, опреснения и сельского хозяйства установлено дополнительно 28 гигаватт мощности прямого геотермального отопления .

Геотермальная энергия является рентабельной, надежной, устойчивой и экологически чистой, но исторически ограничивалась районами вблизи границ тектонических плит . Последние технологические достижения резко расширили диапазон и размер жизнеспособных ресурсов, особенно для таких применений, как домашнее отопление, открыв потенциал для широкого использования. Геотермальные скважины выделяют парниковые газы, задержанные глубоко в недрах земли, но эти выбросы на единицу энергии намного ниже, чем выбросы ископаемого топлива. В результате геотермальная энергия может помочь смягчить глобальное потепление, если будет широко использоваться вместо ископаемого топлива.

Геотермальных ресурсов Земли теоретически более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей человечества, но только очень небольшая их часть может быть использована с прибылью. Бурение и разведка глубоких ресурсов очень дороги. Прогнозы на будущее геотермальной энергетики зависят от предположений о технологиях, ценах на энергию, субсидиях и процентных ставках. Пилотные программы, такие как выбор клиента EWEB в программе Green Power Program, показывают, что клиенты будут готовы платить немного больше за возобновляемый источник энергии, такой как геотермальная. Но в результате правительственных исследований и отраслевого опыта стоимость производства геотермальной энергии снизилась на 25% за последние два десятилетия. В 2001 году геотермальная энергия стоила от двух до десяти центов США за кВтч.

Океанический

Морская энергия или морская энергия (также иногда называемая энергией океана , океанской мощью или морской и гидрокинетической энергией ) относится к энергии, переносимой океанскими волнами , приливами , соленостью и разницей температуры океана . Движение воды в Мировом океане создает огромный запас кинетической энергии , или энергии движения. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии для домов, транспорта и промышленности.

Термин «морская энергия» включает в себя как мощность волн, то есть мощность поверхностных волн, так и приливную энергию, т.е. получаемую из кинетической энергии больших движущихся водоемов. Оффшорная ветровая энергия не является формой морской энергии, поскольку энергия ветра получается из ветра, даже если ветряные турбины размещены над водой. Океаны обладают огромным количеством энергии и близки ко многим, если не самым сконцентрированным, группам населения. Энергия океана может обеспечить значительное количество новой возобновляемой энергии по всему миру.

100% возобновляемая энергия

Стимул использовать 100% возобновляемые источники энергии для производства электроэнергии, транспорта или даже для общего снабжения первичной энергией во всем мире был мотивирован глобальным потеплением и другими экологическими, а также экономическими проблемами. Использование возобновляемых источников энергии росло намного быстрее, чем кто-либо ожидал. Межправительственная группа экспертов по изменению климата сказал , что существует несколько основных технологических пределов интеграции портфель технологий использования возобновляемых источников энергии для удовлетворения наиболее общего мирового спроса на энергоносители. На национальном уровне по меньшей мере 30 стран мира уже имеют возобновляемые источники энергии, на которые приходится более 20% энергоснабжения. Кроме того, профессора С. Пакала и Роберт Х. Соколов разработали серию « стабилизационных клиньев », которые могут позволить нам поддерживать качество нашей жизни, избегая при этом катастрофических изменений климата, а «возобновляемые источники энергии» в совокупности составляют наибольшее количество своих «клиньев».

Марк З. Якобсон говорит, что производство всей новой энергии с помощью энергии ветра , солнечной энергии и гидроэнергии к 2030 году возможно, а существующие механизмы энергоснабжения могут быть заменены к 2050 году. Считается, что препятствия на пути реализации плана использования возобновляемых источников энергии являются «в первую очередь социальными и политическими, не технологический или экономический ". Якобсон говорит, что затраты на энергию ветра, солнца и воды должны быть аналогичны сегодняшним затратам на энергию.

Аналогичным образом, в Соединенных Штатах независимый Национальный исследовательский совет отметил, что «существует достаточно внутренних возобновляемых ресурсов, чтобы возобновляемая электроэнергия могла играть значительную роль в производстве электроэнергии в будущем и, таким образом, помогать решать проблемы, связанные с изменением климата, энергетической безопасностью и эскалацией. затрат на энергию… Возобновляемые источники энергии являются привлекательным вариантом, поскольку возобновляемые ресурсы, доступные в Соединенных Штатах, взятые вместе, могут обеспечить значительно большее количество электроэнергии, чем общий текущий или прогнозируемый внутренний спрос ». .

Критики подхода «100% возобновляемых источников энергии» включают Вацлава Смила и Джеймса Э. Хансена . Смил и Хансен обеспокоены непостоянством выработки солнечной и ветровой энергии, но Амори Ловинс утверждает, что электросеть может справиться, точно так же, как она обычно поддерживает неработающие угольные и атомные электростанции работающими.

Google потратил 30 миллионов долларов на свой проект RE <C по развитию возобновляемых источников энергии и предотвращению катастрофического изменения климата. Проект был отменен после того, как пришел к выводу, что лучший сценарий быстрого развития возобновляемых источников энергии может привести к выбросам только на 55 процентов ниже прогнозируемого уровня ископаемого топлива на 2050 год.

Повышенная энергоэффективность

Интегрированная компактная люминесцентная лампа спирального типа , которая была популярна среди потребителей в Северной Америке с момента ее появления в середине 1990-х годов.

Хотя повышение эффективности использования энергии не является развитием энергетики как таковым, его можно рассматривать в рамках темы развития энергетики, поскольку оно делает существующие источники энергии доступными для работы.

Эффективное использование энергии снижает количество энергии, необходимое для производства продуктов и услуг. Например, теплоизоляция дома позволяет зданию использовать меньше энергии для отопления и охлаждения для поддержания комфортной температуры. Установка люминесцентных ламп или естественных световых люков снижает количество энергии, необходимой для освещения, по сравнению с лампами накаливания . Компактные люминесцентные лампы потребляют на две трети меньше энергии и могут служить в 6-10 раз дольше, чем лампы накаливания. Повышение энергоэффективности чаще всего достигается за счет внедрения эффективных технологий или производственного процесса.

Снижение потребления энергии может сэкономить деньги потребителей, если экономия энергии компенсирует стоимость энергоэффективной технологии. Снижение энергопотребления снижает выбросы. По данным Международного энергетического агентства , повышение энергоэффективности зданий , промышленных процессов и транспорта может снизить мировые потребности в энергии к 2050 году на треть и помочь контролировать глобальные выбросы парниковых газов.

Считается, что энергоэффективность и возобновляемые источники энергии являются двумя столпами устойчивой энергетической политики. Во многих странах считается, что энергоэффективность приносит пользу национальной безопасности, поскольку ее можно использовать для снижения уровня импорта энергии из зарубежных стран и может замедлить темпы истощения внутренних энергоресурсов.

Было обнаружено, «что для стран ОЭСР ветер, геотермальная энергия, гидроэнергетика и атомная энергия имеют самый низкий уровень опасности среди источников энергии в производстве».

Передача инфекции

В то время как новые источники энергии редко открываются или становятся возможными благодаря новым технологиям , технология распределения постоянно развивается. Например, использование топливных элементов в автомобилях - это ожидаемая технология доставки. В этом разделе представлены различные технологии доставки, которые сыграли важную роль в историческом развитии энергетики. Все они в некоторой степени полагаются на источники энергии, перечисленные в предыдущем разделе.

Доставка и трубопроводы

Уголь , нефть и их производные доставляются морским, железнодорожным или автомобильным транспортом. Нефть и природный газ также могут доставляться по трубопроводам , а уголь - по

Мировая энергетика. Часть I

Современная цивилизация существует в основном благодаря использованию огромного, по сравнению с более ранними временами, количества энергии в разнообразных машинах в широком смысле этого слова. Более того, потребление энергии человечества постоянно растёт. При этом энергия в годной к употреблению форме является ограниченным ресурсом, так что относительная доступность энергии оказывает серьёзное влияние на развитие как отдельных стран, так и цивилизации в целом.

Существует несколько организаций, ведущих регулярный статистический учёт производства и потребления энергии. В данной статье, в частности, используются данные Международного энергетического агентства (IEA). Выводы и прогнозы различных организаций часто цитируются, но при этом редко поясняется, каким образом и на каких принципах они строятся, что открывает простор для неверных интерпретаций. В данной статье мы постараемся исправить это упущение.

Первичная энергия

При учёте энергии возникает одна сложность — до потребления энергии в её конечной форме она проходит через цепочку преобразований, иногда довольно длинную. Электрочайник кипятит воду — происходит потребление энергии в форме тепла, преобразованной из энергии в форме электричества в сети. В свою очередь в эту форму энергия была преобразована из механической формы — энергии вращения турбин на электростанции, а та была получена из тепловой энергии пара, полученной путём сжигания какого-то топлива, то есть из потенциальной химической энергии. В таком, казалось бы, простом деле оказалось сразу пять этапов преобразования энергии; причём на каждом этапе часть энергии, конечно же, теряется, так что потребление энергии в конечной форме всегда существенно меньше, чем её производство. На каком этапе вести учёт?

В связи с описанной сложностью, в энергетической статистике фиксируется производство и потребление энергии по возможности ближе к началу цепочки, в форме так называемой первичной энергии. Отслеживается только два вида преобразования первичной энергии: электрогенерация, то есть производство электрической энергии, и теплогенерация, то есть производство тепловой энергии (без последующего преобразования в какую-либо другую форму). Дальнейшие преобразования энергии в статистике не учитываются.

Более подробно поясним понятие первичной энергии чуть позже, а пока перечислим виды источников первичной энергии:

Невозобновляемые, в том числе:

  • Ископаемое топливо, в том числе:
    • Нефть
    • Природный газ
    • Уголь
  • Атомная энергетика

Возобновляемые, в том числе:

  • Гидроэнергетика
  • Биотопливо/биомасса
  • Солнечная энергетика
  • Ветроэнергетика
  • Геотермальная энергетика и пр.

В нашем списке можно увидеть разделение источников на возобновляемые и невозобновляемые. Под возобновляемостью источника подразумевается его потенциальная неисчерпаемость в масштабах человеческой деятельности. Конечно, это разделение во многом условно. Так, например, ископаемое топливо на самом деле в недрах Земли формируется (то есть возобновляется) постоянно, просто делает оно это по меркам наших энергетических нужд настолько медленно, что пытаться его использовать возобновляемым способом совершенно бессмысленно. Более важный пример — это биотопливо, которое включает в себя такую банальную вещь как дрова. Источником дров, как известно, является лес, и его люди на самом деле легко могут исчерпать, так что возобновляемым он является только до определённой границы. Тем не менее, разделение это важное и часто используемое.

Для ископаемого и биологического топлива количество первичной энергии определяется очень просто: это удельная теплота сгорания, умноженная на массу топлива. Удельная теплота сгорания ископаемого топлива зависит от содержания в нём водорода: для метана, в котором на один атом углерода приходится четыре атома водорода, она равна 50 МДж/кг; для угля, в котором на один атом углерода приходится примерно ноль атомов водорода — около 30 МДж/кг; для нефти — примерно посередине. Понятно, что на практике теплота сгорания для разных сортов одного и того же топлива может быть несколько разной, и в статистике это, по возможности, учитывается.

Все остальные, нетопливные, источники энергии используются практически только для электро- и теплогенерации. Первичная энергия для них немного по-разному. В тех случаях, когда электричество вырабатывается из тепловой энергии, то именно она считается за первичную. Так происходит в атомной энергетике, а также на геотермальных и гелиотермальных электростанциях. Если же электричество генерируется напрямую из природного источника, то первичной считается собственно сама произведённая электроэнергия. Так происходит в гидро- и ветроэнергетике, а также фотовольтаике (вид солнечной энергетики).

Для измерения первичной энергии используются различные единицы. Мы будем использовать так называемую тонну нефтяного эквивалента (тнэ), равную 41,868 ГДж. Предполагается, что такое количество тепловой энергии выделяется при сгорании одной среднестатистической тонны нефти. Тысяча кубических метров природного газа содержит в среднем около 0,8 тнэ. Также одна тонна нефтяного эквивалента равна 11 630 киловатт-часов. Если вы знаете, сколько киловатт-часов у вас дома набегает за месяц по электрическому счётчику, то вы сможете представить себе, какое количество энергии содержит 1 тнэ.

Производство энергии: тепло- и электрогенерация

Примерно 40% первичной энергии сегодня используется в ходе тепло- и электрогенерации. Эти процессы рассматривают вместе по причине широкого применения в энергетике когенерации — совместного производства полезного тепла и электричества, например, на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ является разновидностью тепловой электростанции (ТЭС). ТЭЦ отличается тем, что на ней тепло отработанного пара передаётся в теплосеть, а на остальных ТЭС — в окружающую среду. За счёт этого коэффициент полезного действия (КПД) у ТЭЦ заметно выше и достигает 50-60%, по сравнению с 30-40% у обычных ТЭС. Но давайте рассмотрим по порядку имеющиеся сегодня в нашем распоряжении способы генерации электричества и тепла.

ТЭС существуют с конца 19 века и устроены довольно просто. За счёт сжигания топлива вода в котле превращается в пар с очень высокой температурой и давлением. Этот пар направляется на лопатки турбины и тем самым вращает её. Вращение передается на вал электрогенератора с закреплёнными на нём магнитами; вращающееся магнитное поле создаёт электрический ток в замкнутом проводнике в соответствии с законом электромагнитной индукции. Отработанный пар из турбины попадает в конденсатор, где охлаждается и превращается обратно в воду, которая затем снова поступает в котёл.

Выше описан принцип действия ТЭС с паротурбинной установкой. Существуют ещё и газотурбинные установки: в них турбину вращают непосредственно продукты сгорания топлива в виде потока раскалённых газов (таким образом, газовая турбина является двигателем внутреннего сгорания, а паровая — внешнего). Самый же высокий КПД достигается на комбинированной парогазовой установке, состоящей из двух двигателей в тандеме; в этой установке всё ещё горячие отработанные газы из газовой турбины используются для нагрева котла паровой турбины.

Вообще электрогенератору безразлично, что именно вращает его вал, так что комбинация любого теплового двигателя (в том числе поршневого) с электрогенератором составляет тепловую электростанцию того же типа, что и двигатель. Собственно говоря, принцип тот же и для большинства нетепловых электростанций: сначала с помощью какого-либо двигателя энергия из своей исходной формы преобразуется в механическую, а затем превращается в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Топливом для ТЭС служат уголь, природный газ и, гораздо реже, нефтепродукты (мазут или дизель). В газотурбинных и парогазовых ТЭС используется в основном природный газ; уголь используется практически только на ТЭС с паротурбинными установками. Существуют также ТЭС, работающие на биотопливе. Это могут быть отходы деревообработки или сельского хозяйства в виде прессованных гранул, а также биогаз — продукт жизнедеятельности бактерий, перерабатывающих различные биологические отходы, в том числе бытовые и канализационные.

На атомной электростанции (АЭС) в роли котла для создания пара высокого давления выступает ядерный реактор, использующий энергию распада ядер радиоактивных изотопов в ходе цепной реакции. Больше АЭС ничем принципиально не отличается от паротурбинной ТЭС — полученный пар поступает на турбину, и так далее. На АЭС также может быть реализована когенерация тепла и электричества, тогда получится атомная теплоэлектроцентраль — АТЭЦ. Ядерное топливо производится из урана, добываемого на соответствующих месторождениях с конечными запасами. Это означает, что атомная энергетика является невозобновляемым источником энергии.

Все остальные способы тепло- и электрогенерации используют возобновляемые источники энергии. Так, на гидроэлектростанции (ГЭС) вал электрогенератора вращает, как нетрудно догадаться, гидротурбина. В свою очередь последняя вращается за счёт энергии напора воды. Плотина на ГЭС нужна для того, чтобы создать необходимый перепад высот. Если уклон реки достаточно велик (как зачастую бывает в горах), то можно обойтись и без плотины.

На солнечных электростанциях, как правило, используется явление фотоэлектрического эффекта: частицы света (фотоны) определённой энергии (длины волны) могут выбивать электроны из атомов определённым образом организованного вещества (обычно полупроводниковые фотоэлементы, собранные в солнечные батареи). Такая технология называется ещё фотовольтаикой. Она выгодно отличается от других способов производства электроэнергии полным отсутствием движущихся деталей — энергия солнечного излучения напрямую преобразуется в электрическую, минуя стадию механической энергии.

Другая разновидность солнечной энергетики — это гелиотермальные электростанции, на которых энергия солнца собирается в виде тепла и используется опосредованно для электрогенерации по принципу обычных ТЭС. Для сбора солнечной энергии обычно применяются системы линз и зеркал — это так называемые солнечные электростанции концентрирующего типа (CSP).

Ветряные электростанции преобразуют в электричество механическую энергию вращения лопастей ветрогенератора под действием ветра. Ветрогенератор вполне ожидаемо состоит из ветротурбины и электрогенератора. Циркуляция атмосферы Земли, то есть ветер, существует в основном из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Следовательно, как и солнечная электростанция, ветрогенератор использует возобновляемую энергию Солнца.

Существуют также геотермальные электростанции, устроенные аналогично тепловым, но использующие для нагрева котла энергию горячих подземных вод. Тепло геотермальных источников можно использовать и напрямую для обогрева. Из-за того, что температура подземных вод сравнительно невелика, КПД геотермальных электростанций довольно низок — всего около 10%.

Наконец, приливные и волновые электростанции используют, соответственно, энергию морских приливов/отливов и волн. В совокупности эти способы получения электроэнергии можно назвать морской энергетикой.

В 2013 году всего в мире было сгенерировано и потреблено 23318 тераватт-часов (или 2008 млн тнэ) электроэнергии, а также 354 млн тнэ теплоэнергии; в сумме тепла и электричества получается 2362 млн тнэ. При этом было израсходовано 5115 млн тнэ первичной энергии в различных формах. Таким образом, средний КПД тепло- и электрогенерации (отношение произведённой энергии к первичной) составил 46%.

На рисунке 1 приведена диаграмма использования различных видов первичной энергии для тепло- и электрогенерации. Из диаграммы видно, что ископаемое топливо (то есть уголь, нефть и природный газ) составляет три четверти затрачиваемой в этих целях первичной энергии. Оставшаяся четверть приходится на атомную и возобновляемую энергетику.

Рисунок 1. Использование первичной энергии по источникам для тепло- и электрогенерации в 2013 году (всего 5115 млн тнэ).

Однако если посмотреть на диаграмму распределения по источникам собственно самой произведённой электроэнергии (рисунок 2), то картина будет заметно отличаться в силу того, что разные способы электрогенерации имеют разный КПД (в смысле отношения произведённой электроэнергии к первичной). Так, КПД фотовольтаики, а также гидро- и ветроэнергетики в рамках энергетической статистики считается равным 100%: как уже говорилось, под первичной энергией у этих источников понимается собственно полученная электроэнергия. Практически по всем остальным источникам — первичной энергией является тепло, которое преобразуется в электрическую энергию через механическую. Электрический КПД этого процесса зависит от типа используемого теплового двигателя и достигаемой температуры, и составляет в среднем около 30—40%. Кроме того, из этих источников производится также и полезное тепло, которое в данные рисунка 2 не включено.

Рисунок 2. Произведенная электроэнергия по источникам в 2013 году (всего 2008 млн тнэ или 23318 ТВт*ч).

В итоге на рисунке 2 доля гидроэнергетики выросла до 16%, а доля ветроэнергетики стала, по крайней мере, заметной — 3%. Доля солнечной энергетики всё ещё прячется среди 1% «прочих». Для нас, конечно, важнее именно то, какую долю произведённой электроэнергии нам даёт тот или иной источник, поэтому в диаграмме на рисунке 2 больше практического смысла, чем в диаграмме на рисунке 1. А несколько неочевидным понятием первичной энергии удобно пользоваться, если необходимо, например, занизить значение возобновляемых источников. Но это вовсе не означает, что понятие плохое и ненужное. Дело в том, что на тепло- и электрогенерацию тратится лишь около двух пятых используемой во всём мире первичной энергии; остальную мы расходуем другими способами.

Потребление первичной энергии

На рисунке 3 приведена схема мирового потребления энергии в 2013 году с выделением промежуточного этапа тепло- и электрогенерации. На схеме видно, что всего на все нужды за год было израсходовано 13559 млн тнэ первичной энергии. В том числе 5115 млн тнэ первичной энергии было израсходовано на тепло- и электрогенерацию, что дало в результате 2362 млн тнэ готовой к потреблению тепло- и электроэнергии, а 2753 млн тнэ энергии было потеряно в процессе генерации. В так называемом энергетическом секторе — на добычу и переработку энергоносителей, производство энергии, преобразование энергии из одного вида в другой, а также транспорт энергии в виде тепла и электричества — было израсходовано 1686 млн тнэ энергии, в том числе 1291 млн тнэ первичной энергии и 395 млн тнэ вторичной, то есть сгенерированного тепла и электричества. Оставшиеся 7153 млн тнэ первичной энергии было потреблено в различных секторах экономики другими способами; с учётом 1967 млн тнэ вторичной (сгенерированной) энергии общее конечное потребление энергии составило 9120 млн тнэ.

Рисунок 3. Схема мирового потребления энергии по источникам в 2013 году. Все значения в млн тнэ.

Пройдёмся более подробно по секторам потребления энергии в разрезе её источников.

Название сектора «промышленность» говорит само за себя. Энергия в этом секторе в основном потребляется в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, а также при производстве строительных материалов (цемента) и целлюлозно-бумажном производстве. Однако потребление энергии при перевозке товаров, а также добыче и переработке ископаемого топлива сюда не входит. Кроме того, потребление энергоносителей относится к данному сектору только в том случае, когда они используются именно как энергоносители, а не как сырьё или исходный материал для производства.

Ископаемое топливо в промышленности используется в основном для нагрева, то есть когда технология производства требует высокой температуры. Известный всем пример — выплавка металлов. Нагрев необходим и при производстве цемента (барабанные печи), а также на определённых этапах химического и нефтехимического производства. Кроме того, использование нефтепродуктов в качестве топлива для строительной и другой специальной техники тоже отражается в данном секторе. Биоэнергетика в промышленном секторе — это, в основном, утилизация древесных отходов в лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Транспортный сектор включает в себя потребление энергии в дорожном, воздушном, водном, железнодорожном и трубопроводном транспорте. К этому сектору не относится потребление топлива техникой, основным назначением которой является не перевозка пассажиров и грузов, а другая деятельность, например, строительство, добыча полезных ископаемых, лесозаготовки, рыболовство и т. п. Около 40-50% энергии в данном секторе потребляется легковыми автомобилями.

В транспортном секторе ожидаемо более 90% энергии даёт нефть, то есть топливные нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, керосин, мазут и пр. Большая часть оставшегося — это природный газ в различных формах. Применение биотоплива и электроэнергии на сегодняшний день едва заметно, несмотря на то, что, в частности, электровозы в железнодорожном и трамваи с троллейбусами в городском транспорте достаточно широко применяются уже много десятков лет.

В сектор с не вполне прозрачным названием «здания» включается энергия, потраченная в жилых и разного рода общественных (но не промышленных) зданиях в целях обогрева, охлаждения, горячего водоснабжения, освещения, а также для работы бытовых приборов и оборудования для приготовления пищи. Около 40-45% произведённой тепло- и электроэнергии расходуется именно в этом секторе, больше, чем в каком-либо другом. Сравнительно высокая доля природного газа объясняется, очевидно, применением кухонного газа. Также в данном секторе потребляется более 60% всей первичной биоэнергии. В основном это древесное и другое твёрдое биотопливо, очень широко используемое, в частности, в традиционных обществах так называемых развивающихся стран. Таким образом, на сегодняшний день под модным словом «биоэнергетика» скрываются, по большей части, дрова и сухой навоз.

Наконец, в сектор «прочее» входит потребление энергии в сельском хозяйстве и подобных ему отраслях (рыболовство, лесное хозяйство). В этом же секторе учитывается использование ископаемого топлива не для получения энергии, а в качестве сырья для производства смазочных материалов, асфальта, растворителей, продуктов химической и нефтехимической промышленности и т. д. В этом секторе расходуется в основном нефть, причём сюда приходится довольно значительная часть её общего потребления — около 16%.

Использование тепло- и электроэнергии во всех секторах достаточно прозрачно. Отметим лишь, что около 16% произведённой электроэнергии (331 млн тнэ) тратится в энергетическом секторе на добычу и переработку ископаемого и ядерного топлива, а также теряется при передаче по электрическим сетям. Аналогичные потери происходят и при передаче тепловой энергии по теплосетям. Данный расход энергии включён на схеме в так называемый «энергетический сектор».

В этом же «энергетическом секторе» учитываются затраты энергии на добычу и переработку ископаемого топлива, производство биотоплива, преобразование топлива из одной формы в другую (сжижение газа и угля, преобразование газа в жидкость, газификация угля и нефти), коксование угля, а также потери при транспортировке и хранении газа, нефти, угля и биотоплива.

Рисунок 4. Мировое потребление первичной энергии в 2013 году по источникам.

На рисунке 4 приведено распределение мирового потребления первичной энергии по источникам в соответствии со схемой на рисунке 3. Таким образом, в целом сегодня человечество получает более 80% первичной энергии из ископаемого топлива (то есть угля, нефти и природного газа), и более 85% — из невозобновляемых источников (то же, плюс атомная энергетика). На возобновляемые источники пока что приходится менее 15% первичной энергии. При этом следует помнить, что, с одной стороны, ряд возобновляемых источников (гидроэнергетика, ветроэнергетика, фотовольтаика) по определению имеют стопроцентный КПД, что резко увеличивает их значимость с точки зрения конечного потребления. А с другой стороны, биоэнергетика, составляющая две трети всех возобновляемых источников и 10% общего потребления первичной энергии, по большей части присуща неиндустриальным обществам; поэтому вряд ли стоит связывать её с инновационностью и продвинутостью, приписываемой прочим возобновляемым источникам энергии.

О том, какие существуют прогнозы в отношении мировой энергетики, расскажем в следующей части.

альтернатива централизованному энергоснабжению / Блог компании ГК ЛАНИТ / Хабр

По сравнению со странами Европы, где на объекты распределенной генерации приходится сегодня почти 30% всей выработки, в России по различным оценкам доля распределенной энергетики составляет сегодня не более 5-10%. Поговорим о том, есть ли шансы у российской распределенной энергетики догнать мировые тренды, а у потребителей — мотивация двигаться в сторону независимого энергоснабжения.  Источник

Кроме цифр. Найди отличия


Различия между системой распределенной генерации электроэнергии в России и Европе на сегодня не сводятся к цифрам — по сути это совершенно разные модели как по структуре, так и с экономической точки зрения. Развитие распределенной генерации в нашей стране имело мотивы, несколько отличные от тех, что стали основной движущей силой подобного процесса в Европе, стремившейся компенсировать недостаток традиционных видов топлива путем вовлечения в энергобаланс альтернативных источников энергии (в том числе вторичных энергоресурсов). В России же вопрос снижения затрат на покупку энергоресурсов для потребителей в условиях плановой экономики и централизованного тарифообразования длительное время имел значительно меньшую актуальность, поэтому о собственной электрогенерации задумывались в основном в тех случаях, когда предприятие являлось особенно крупным потребителем энергии и в виду своей удаленности имело трудности с подключением к сетям.

По меркам распределенной энергетики, объекты собственной генерации имели довольно высокую мощность — от 10 до 500 МВт (и даже выше) — в зависимости от нужд производства и с целью обеспечения ближайших населенных пунктов электроэнергией и теплом. Поскольку передача тепла на расстояния всегда сопряжена со значительными потерями, шло активное строительство водогрейных котельных для собственных нужд предприятий и городов. Кроме того, собственные энергоисточники — будь то ТЭЦ или котельные, строились на газе, мазуте или угле, а технологии ВИЭ(возобновляемых источников энергии), за исключением гидроэлектростанций,  и ВЭР (вторичные энергоресурсы) применялись в единичных случаях. Сейчас картина меняется: постепенно появляются объекты малой электрогенерации, и в энергетический баланс, пусть и в меньшей степени, вовлекаются альтернативные источники энергии.

На Западе многое делается для развития малой генерации, а в последнее время широкое распространение получила концепция виртуальной электростанции (ВЭС). Это система, которая объединяет большую часть игроков рынка электрогенерации — производителей (от мелких генераторов частных домовладений до когенерационных станций) и потребителей (от жилых домов до крупных промышленных предприятий). ВЭС регулирует энергопотребление, сглаживая пики и перераспределяя нагрузки в режиме реального времени, используя все доступные для этого мощности системы. Но подобная эволюция невозможна без стимулирования рынка распределенной генерации со стороны государства и без соответствующих изменений в законодательстве. 

В России в условиях жесткой конкуренции и монополии централизованного электроснабжения реализация избытков производимой электроэнергии во внешнюю сеть остается хоть и решаемой, но далеко не простой с точки зрения организации и стоимости процесса задачей. Поэтому в настоящее время шансы стать полноценным участником рынка среди крупных поставщиков у объектов распределенной энергетики крайне малы.

Тем не менее, развитие собственной генерации сегодня, безусловно, в тренде. Основной фактор ее роста — надежность энергоснабжения. Зависимость от генерирующих и сетевых компаний повышает риски производителей. Большинство крупных объектов генерации в России были построены еще во времена СССР, и их солидный возраст дает о себе знать. Для промышленного потребителя прекращение энергоснабжения вследствие аварии — это риск остановки производства и очевидные потери. Если желанию снизить риски сопутствуют экономические мотивы (определяемые главным образом тарифной политикой регионального поставщика) и инвестиционные возможности, то собственная генерация оправдывает себя на 100%, и все больше промышленных предприятий сегодня готовы (или рассматривают для себя такую возможность) идти по этому пути.

Поэтому у распределенной электрогенерации «для собственных нужд» перспективы развития в России довольно высоки.

Собственная генерация. Кому она выгодна


Экономика каждого проекта строго индивидуальна и определяется множеством факторов. Если попытаться обобщить максимально, то в регионах с большей концентрацией генерирующих мощностей и промышленных предприятий, более высокими тарифами на электроэнергию и тепло, собственная электрогенерация — объективный шанс существенно снизить затраты на покупку энергоресурсов.

Сюда же нужно отнести труднодоступные и малонаселенные регионы со слабо развитой или вообще отсутствующей инфраструктурой электросетей, где, безусловно, самые высокие тарифы на электричество.

В регионах, где меньше потребителей и поставщиков электроэнергии, а также большую долю вырабатываемой электроэнергии составляют ГЭС, тарифы заметно ниже, и экономика таких проектов в промышленности не всегда выигрышна. Однако для предприятий отдельных отраслей, имеющих возможность использовать альтернативное топливо, например, отходы производства, собственная генерация может быть отличным решением. Так, на рисунке ниже – ТЭЦ на отходах деревообрабатывающего предприятия.


Если мы говорим о генерации для коммунальных нужд, общественных зданий и объектов коммерческой и социальной инфраструктуры, то до недавнего времени экономика подобных проектов в значительной степени определялась уровнем развития энергетической инфраструктуры региона и, в не меньшей степени, стоимостью технологического присоединения потребителей электроэнергии. С развитием тригенерационных технологий подобные ограничения фактически перестали быть определяющими, а побочное или вырабатываемое тепло в летний период стало возможно использовать для нужд кондиционирования, что сильно повысило эффективность энергоцентров.

Тригенерация: электроэнергия, тепло и холод для объекта


Тригенерация — довольно самостоятельное направление развития малой энергетики. Она отличается индивидуализмом, поскольку ориентируется на удовлетворение потребностей конкретного объекта в энергоресурсах.

Самый первый проект с концепцией тригенерации был разработан в 1998 году совместными усилиями Министерства энергетики США, национальной лабораторией ORNL и производителем АБХМ (абсорционно бромистолитиевый холодильных машин)  BROAD и реализован в США в 2001 году. Тригенерация основана на применении абсорбционных холодильных машин, которые в качестве основного источника энергии используют тепло и позволяют вырабатывать холод и тепло в зависимости от потребностей объекта. При этом применение обычных котлов, как в когенерации, в такой схеме не является обязательным условием.

Помимо традиционных тепла и электричества тригенерация обеспечивает производство холода в АБХМ (в виде захоложенной воды) для технологических нужд или для кондиционирования помещений. Процесс производства электричества так или иначе происходит с большими потерями тепловой энергии (например, с выхлопными газами генераторных машин).

Вовлечение этого тепла в процесс получения холода, во-первых, минимизирует потери, повышая итоговый КПД цикла, а во-вторых, позволяет снизить потребление электроэнергии объекта по сравнению с традиционными технологиями выработки холода с применением парокомпрессионных холодильных машин.

Возможность работать на различных источниках тепла (горячая вода, водяной пар, уходящие газы от генераторных установок, котлов и печей, а также топливо (природный газ, дизельное топливо и пр.) позволяет использовать АБХМ на абсолютно разных объектах, задействовав именно тот ресурс, который имеется в распоряжении предприятия.

Так, в промышленности можно использовать сбросное тепло:


А на объектах городского хозяйства, в коммерческих и общественных зданиях возможны различные комбинации источников тепла:


Тригенерационный энергоцентр можно рассчитывать и строить, исходя из потребностей в электроэнергии, а можно опираться на холодопотребление объекта. Смотря что из указанного является определяющим критерием для потребителя. В первом случае утилизация побочного тепла в АБХМ может быть не полная, а во втором случае может иметь место ограничение по собственной генерируемой электроэнергии (восполнение производится за счет закупки электричества из внешней сети).

Где выгодна тригенерация


Диапазон применения технологии весьма широк: тригенерация может одинаково хорошо встроиться и в концепцию какого-нибудь общественного пространства (например, большого торгового центра или здания аэропорта), и в энергоинфраструктуру промышленного предприятия. Целесообразность внедрения таких проектов и их производительность сильно зависят от местных условий как экономических, так и климатических, а для промышленных предприятий еще и от стоимости выпускаемой продукции.

Первый и самый важный критерий — потребность в холоде. Самое распространенное его применение на сегодняшний день — кондиционирование общественных зданий. Это могут быть и бизнес-центры, и административные здания, больничные и гостиничные комплексы, спортивные объекты, торгово-развлекательные центры и аквапарки, музеи и выставочные павильоны, здания аэропортов – словом, все объекты, где одновременно находится множество людей, где для создания комфортного микроклимата требуется система центрального кондиционирования.

Наиболее оправданно применение АБХМ для подобных объектов площадью от 20-30 тыс. кв. м (бизнес-центр средних размеров) и заканчивая гигантскими объектами в несколько сотен тысяч квадратных метров и даже больше (торгово-развлекательные комплексы и аэропорты).

Но на таких объектах должен быть спрос не только на холод и электроэнергию, но и на теплоснабжение. Причем теплоснабжение — это не только отопление помещений в зимнее время, но и круглогодичное снабжение объекта горячей водой для нужд ГВС. Чем полнее используются возможности тригенерационного энергоцентра, тем выше его эффективность.

Во всем мире существует множество примеров применения тригенерации в гостиничной сфере, строительстве и модернизации аэропортов, образовательных учреждениях, деловых и административных комплексах, центрах обработки данных, немало примеров и в промышленности — текстильной, металлургической, пищевой, химической, целлюлозно-бумажной, машиностроительной и т.п.

В качестве примера приведу один из объектов, для которого в компании "Первый инженер" разрабатывали концепцию тригенерационного энергоцентра.

При потребности в электрической энергии на промышленном предприятии порядка 4 МВт (вырабатываемыми двумя газопоршневыми установками (ГПУ)), требуется холодоснабжение на уровне 2,1 МВт.

Холод генерируется одной абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной, работающей на выхлопных газах ГПУ. При этом одна ГПУ полностью покрывает 100% потребности АБХМ в тепле. Таким образом, даже при работе одной ГПУ завод всегда обеспечен необходимым количеством холода. Кроме того, при выведенных из работы обеих газопоршневых установок, АБХМ сохраняет способность генерировать тепло и холод, поскольку имеет резервный источник тепла — природный газ.

Тригенерационный энергоцентр


В зависимости от нужд потребителя, от его категории и требований по резервированию, схема тригенерации (представлена на рисунке ниже) может быть очень сложной и может включать энергетические и водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, паровые или газовые турбины, полноценную водоподготовку и т.д.


Но для относительно небольших объектов в качестве основной генерирующей установки обычно выступает газовая турбина или поршневая установка (на газе или дизеле) сравнительно малой электрической мощности (1-6 МВт). Они производят электроэнергию и побочное тепло выхлопа и горячей воды, утилизируемые в АБХМ. Это минимальный и достаточный набор основного оборудования.


Да, здесь не обойтись без вспомогательных систем: градирня, насосы, станция реагентной обработки оборотной воды для ее стабилизации, система автоматизации и электрохозяйство, позволяющее использовать генерируемое для собственных нужд электричество.

В большинстве случаев тригенерационный центр — это отдельно стоящее здание, либо блоки контейнерного исполнения, либо комбинация этих решений, поскольку требования по размещению электро- и теплогенерирующего оборудования несколько различаются.

Электрогенерирующее оборудование достаточно стандартизированое, в отличие от АБХМ, хотя и технически более сложное. Сроки его изготовления могут составлять от 6 до 12 месяцев и даже больше.

Средний срок изготовления АБХМ — 3-6 месяцев (в зависимости от холодопроизводительности, от количества и типов греющих источников).

Как правило, изготовление вспомогательного оборудования не будет превышать тех же сроков, поэтому общая продолжительность реализации проекта строительства тригенерационного энергоцентра в среднем составляет 1,5 года.

Результат


Во-первых, тригенерационный центр позволит сократить число поставщиков энергии до одного – поставщика газа. Исключив закупку электроэнергии и тепла, можно, прежде всего исключить любые риски, связанные с перебоями в энергоснабжении.

Работа на тепле с использованием относительно недорогой «избыточной энергии» снижает стоимость вырабатываемой электроэнергии и тепла по сравнению с ее покупкой. А круглогодичная загрузка генерирующих мощностей по теплу (зимой для отопления, летом- для кондиционирования и технологических нужд) позволяет обеспечить максимальную эффективность. Разумеется, как и для других проектов,  основное условие — разработка правильной концепции и ее технико-экономическое обоснование.

Из дополнительных плюсов -  экологичность. Используя выхлопные газы для выработки полезной энергии, мы сокращаем выбросы в атмосферу. Кроме того, в отличие от традиционных технологий выработки холода, где хладагентами выступают аммиак и фреоны, АБХМ использует в качестве хладагента воду, что также сводит экологическую нагрузку к минимуму.

У нас есть вакансии!

11 законов энергии Вселенной, которые нужно знать

Просмотров: 2 962

По каким законам работает энергия в нашем мире? Какие законы энергии Вселенной существуют?

Если ты идешь по пути осознанности, то этот вопрос важен для тебя. Ведь каждое твое проявление в мире есть энергетическое взаимодействие. Поэтому необходимо знать и уметь использовать законы энергии и следствия из этих законов. Тем более что «энергетические» законы универсальны и применимы к любой твоей деятельности.

Эта статья расскажет об «энергетических» законах Вселенной и поможет твоему осознанному взаимодействию с миром!

Устройство мироздания: фундамент для законов энергии

Законы, по которым работает энергия, очень логичны. Они вытекают из фундаментальных основ нашего мира. Эти основы с древнейших времен описывались различными мистическими учениями. Лишь совсем недавно, с развитием квантовой механики, они обрели и научное подтверждение. Итак, краеугольные камни Мироздания – это:

  • Глубинное единство мира. Мир един, поскольку в его основе лежит квантовая, или Абсолютная реальность. Существование изначальной квантовой реальности подтверждается многочисленными квантовыми экспериментами. Эта реальность и есть Абсолют – мистическое начало, творящее Мироздание.
  • Информация как истинная основа мира. Наша реальность возникает из Абсолютной реальности за счет постоянного обмена информацией между объектом и окружающим миром. Такой обмен информацией происходит при взаимодействии. Именно так описывает возникновение реальности теория декогеренции.
  • Энергия как инструмент для «материализации» информации. Мир представляет собой информационно-энергетическую структуру. Именно энергия обеспечивает возможность взаимодействия и информационного обмена. Тем самым она позволяет «заякорить» информацию, превратить ее в материальный объект.
  • Многоуровневость Мироздания. В процессе декогеренции происходит несколько стадий выделения полностью обособленного, «физического» объекта из изначальной квантовой реальности. Поэтому между Абсолютом и «физическим» миром совершенно неизбежно возникают промежуточные, или «тонкие» миры. Эти миры есть такая же объективно существующая часть Мироздания, как и наш «физический» мир.

Глубже разобраться в сущности мироздания тебе помогут статьи о квантовых экспериментах, квантовой реальности, возникновении тонких миров и информационно-энергетической структуре мира.

А теперь разберем «энергетические» законы Вселенной, и следствия из этих законов. Эти следствия напрямую влияют лично на тебя и на твою жизнь!

11 законов энергии Вселенной

#1: Закон единого Источника энергии

Первоначальным источником и создателем энергии является Абсолют. Энергия является проекцией Абсолюта как чистого знания.

Следствие: Для всей Вселенной информация первична. Энергия и материя – только ее проекции. Твоей истинной основой является сознание.

#2: Закон предназначения энергии

Энергия является созидающей силой Мироздания, творящим инструментом Абсолюта.

Следствие: Без энергии никакое творение невозможно. Именно твоя энергия определяет возможность влияния на мир. Абсолютно каждое твое проявление – это генерируемый тобой импульс энергии. Тебе необходима энергия для жизни и созидания.

#3: Закон безграничности энергетического потенциала

В силу глубинного единства всего сущего с Абсолютом истинный энергетический потенциал каждого объекта безграничен.

Следствие: Сейчас тебе доступна лишь малая часть твоего безграничного энергетического потенциала. Эту малую часть, которая тебе доступна и которую ты можешь использовать, можно назвать твоим «освоенным» энергетический потенциалом. Этот потенциал различен в разные моменты времени. Но твой истинный потенциал остается безграничным. Внутри тебя скрыт безграничный источник энергии.

#4: Закон зависимости уровня доступа к энергии от уровня сознания

Уровень доступа к энергии ограничен лишь уровнем сознания объекта. То есть близостью сознания к Абсолюту.

Следствие: За счет роста сознания ты расширяешь свой освоенный энергетический потенциал. Чем выше уровень твоего сознания, чем ближе оно к сознанию Абсолюта – тем выше твой освоенный потенциал. Ты раскрываешь свой истинный потенциал самостоятельно. За счет роста сознания ты получаешь доступ к той энергии, которая изначально заложена в тебе. По мере роста сознания расширяется твой доступ к энергии. Ты раскрываешь свой потенциал Творца.

#5: Закон ограничения возможности использования энергии

Возможность фактического использования энергии в каждый момент ограничена уровнем освоенного энергетического потенциала.

Следствие: Ты не можешь применять энергию в большем объеме, чем тот потенциал, который ты научился использовать. Попытка обладать и пользоваться более мощной энергией, чем позволяет освоенный потенциал, кончится ничем. Энергия в лучшем случае просто «утечет сквозь пальцы», а в худшем – причинит тебе вред. Освоенный энергетический потенциал – есть максимально возможная степень проявления себя и влияния на мир, твой максимальный энергетический уровень на данный момент. Лишь рост освоенного потенциала увеличивает твои фактические возможности. Сперва расширь свой потенциал – потом пользуйся более мощной энергией.

#6: Закон реализации потенциала при взаимодействии

Энергия есть основа взаимодействия. Взаимодействие проявляет объект в мире. В силу этого энергетический потенциал может быть проявлен лишь в процессе взаимодействия.

Следствие: Твое истинное влияние на мир определяет использование имеющегося потенциала. Потенциал определяет твои возможности, но не проявляет тебя. Без использования он останется лишь потенциалом. Лишь при взаимодействии ты превращаешь потенциальную энергию в энергию проявленную. Если Солнце никто не видит – то неважно, насколько ярко оно сияет. Твой потенциал работает лишь при взаимодействии.

Для увеличения схемы нажмите на нее.

#7: Закон постоянного энергообмена при взаимодействии

Любое взаимодействие происходит с обменом энергии между взаимодействующими.

Следствие: Взаимодействие есть процесс обмена энергией и информацией. Поэтому в ходе взаимодействия ты всегда получаешь и отдаешь энергию. И получить энергию извне иначе, как при взаимодействии, невозможно. Следовательно, нельзя получить энергию просто так. Необходимо что-то отдать. Вопрос лишь в осознанности этого процесса. Осознаешь ли ты, что именно отдаешь в обмен на получаемую энергию? Или пустил это на самотек? Или даже пытаешься обмануть Мироздание? Ты не можешь что-либо получить, ничего не отдав.

#8: Закон созидания как следствия энергообмена

Взаимодействие, с происходящим при этом обменом энергией и информацией, создает все многоуровневое Мироздание.

Следствие: Без взаимодействия – нет жизни. Обмениваясь энергией, ты создаешь энергетический поток. Ты создаешь события и действия. Ты создаешь Жизнь. Ты создаешь Вселенную. Реализуя свой энергетический потенциал – ты живешь!

Для увеличения схемы нажмите на нее.

#9: Закон масштаба созидания

Масштабное созидание есть результат масштабного взаимодействия. Масштаб взаимодействия определяется интенсивностью обмена энергией и информацией.

Следствие: Чем интенсивнее ты взаимодействуешь, чем больше обмениваешься энергией и информацией, чем сильнее проявляешь свой потенциал – тем больше ты творишь. Отданная тобой энергия никогда не исчезает проcто так. Она создает мир. И поскольку любое взаимодействие есть обмен – мир всегда вернет тебе отданное. Только не жди обмена «баш на баш»! Ведь Вселенная едина в своей основе. Возврат может прийти от любой ее составляющей. Источник получения может быть неожиданным. Чем больше ты отдаешь – тем больше получаешь!

#10: Закон всеобщности энергии

Энергия творит на всех уровнях Мироздания.

Следствие: Энергия созидает везде. Творит энергия твоих действий. Творит энергия твоих слов. В «тонких» мирах творит энергия твоих чувств и мыслей. Более того, именно из мыслей и чувств рождаются действия. Ведь по правилам «тонких» миров – без предшественника в «тонком» мире физическая «материализация» объекта невозможна! Ты создаешь Вселенную энергией каждой своей мысли, слова и действия.

#11: Закон нейтральности энергии

Энергия нейтральна. Нет «позитивной» или «негативной» энергии, есть лишь информация, которая «материализуется» с помощью энергии.

Следствие: Энергия – это инструмент для «материализации» информации, а информацией может управлять сознание. Поэтому только ты определяешь, какую информацию «материализуешь» при помощи собственной энергии. Твое влияние на Мироздание – лишь твоя ответственность. Только ты решаешь – какую именно Вселенную ты создаешь!

Энергетическая спираль: движение вверх и вниз

Именно вследствие действия законов энергии ты движешься по энергетической спирали. Движешься вверх или вниз. Энергетически развиваешься или деградируешь. Идешь по пути эволюции или инволюции.

Как выглядит движение вверх по энергетической спирали?

Прежде всего, ты ищешь источник энергии внутри себя. Раскрываешь и используешь часть собственного безграничного потенциала. В результате ты наполняешься энергией. Энергия просто изливается из тебя, и ты щедро делишься ей с миром. Делишься действуя, создавая Жизнь и себя.
В результате ты получаешь ответный поток энергии. Получаешь вовсе не потому, что очень хотел что-то взять, а просто как естественное следствие закона постоянного энергообмена.

При этом, по закону масштаба, чем больше отдал – тем больше получаешь. В процессе этого обмена ты наполняешься жизнью, энергетически обогащаешься. Эта радостная полнота жизни ведет к росту сознания. А рост сознания вновь запускает процесс дальнейшего раскрытия твоего энергетического потенциала.

Для увеличения схемы нажмите на нее.

Движение вниз выглядит совсем по-другому… Ты отчаянно нуждаешься в энергии. Не заглядывая внутрь себя, ты пытаешься найти эту энергию во внешнем мире. В результате, стремясь во что бы то ни стало получить желаемое, ты попросту забираешь энергию у мира. А дальше начинает свою работу закон энергообмена. Поскольку ты не хочешь делиться с миром радостно и добровольно («не хочу делиться, самому пригодится!») – то часть твоей энергии попросту изымается. Принудительно и без всякого твоего согласия.

Это, конечно же, вызывает непонимание и обиду на мир. Радость отсутствует, и как результат – уровень сознания снижается. А доступный энергетический потенциал – сокращается.

Подробнее о связи между уровнем сознания и энергетическими возможностями читай здесь.

Ты наверняка знаешь несколько людей, истории которых прекрасно иллюстрируют эти схемы. Это естественно, ведь «энергетические» законы очень хорошо работают по отношению к любой деятельности. Чрезвычайно ярко они проявляются во всем, что касается денег. Ведь деньги – это одна из форм энергии. Поэтому твои деньги живут по «энергетическим» законам. Зная и применяя эти законы, ты всегда сможешь осознанно управлять деньгами – как одним из инструментов создания Изобилия в твоей жизни.

Подробнее о правилах взаимодействия с деньгами читай здесь.

Знание «энергетических» законов Вселенной очень поможет тебе в осознанном творении собственной реальности. Конечно, если это знание будет применено на практике – в непрерывном творческом процессе самосозидания!

Пожалуйста, оцени статью.

Пиши свое мнение в комментариях к статье!

Все виды энергии: кинетическая, потенциальная, лучистая, химическая, механическая и др.

Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.

Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.

Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.

Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.

Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.

Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.

Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.


Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.

Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.

Упругая потенциальная энергия

Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.

Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.

Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

Механическая энергия

 

Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.

Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.

Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.

Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.

Химическая энергия

Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.

Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.

Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.

Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.

Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.

Тепловая энергия

Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.

Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.

Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.

Электрическая мощность

Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.

Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.

Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.

Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.

В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.

Ядерная энергетика

Когда ядро ​​атома разбивается, ядерная энергия высвобождается.

Ядерная энергия — это форма потенциальной энергии, которая накапливается в ядре атома и происходит от сил, удерживающих субатомные частицы вместе. Ядерная реакция похожа на химическую реакцию, в которой реагенты превращаются в продукты. Они отличаются тем, что в ядерной реакции один атом превращается в другой.

Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро ​​радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро ​​бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.

Использование ядерной энергии

Реакции ядерного деления используются в ядерных реакторах, где ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Энергия, исходящая от Солнца, является продуктом ядерного синтеза.

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Звуковая энергия

Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.

Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.

Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.

Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.

Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.

В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.

Лучистая энергия

Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.

Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.

Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.

Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.

Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.

Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.

Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.

Солнечная энергия

Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.

Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.

Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.

Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.

Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.


Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.

Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.

Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.

Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.

Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.

Водородная энергетика — тренд XXI века

Производство водорода: энергия и вода
Отечественные специалисты концепцию атомно-водородной энергетики определяют так: вода на входе + чистая ядерная энергия => водород => водород + кислород = чистая энергия + вода на выходе (по книге «Атомно-водородная энергетика: системные аспекты и ключевые проблемы», издание 2008 г.). Производство и использование водорода с помощью атомной энергии не сопровождаются вредными выбросами в атмосферу (зато предполагают крупномасштабное получение пресной воды). Вот что делает этот метод очень привлекательным для промышленности.

Сейчас бо́льшую часть водорода и водородсодержащих продуктов производят при помощи паровой конверсии природного газа: водяной пар при температуре 700–1000 °C смешивают с метаном под давлением в присутствии катализатора. При этом половина газа тратится на сам процесс. Чтобы сэкономить природный газ и снизить нагрузку на окружающую среду, разработали схему паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР).

Новизна подхода — в соединении ВТГР с технологическим производством в единую атомную энерготехнологическую станцию (АЭТС), реализации в ее рамках эффективного и экологически чистого крупнотоннажного производства водорода. Помимо высокотемпературного реактора, в АЭТС входят системы преобразования энергии, транспортировки тепла к технологическому процессу и технологическая часть получения товарного водорода.

У такого производства есть три главных преимущества:

  • высокая производительность — до 1 млн тонн водорода в год на 3 ГВт тепловой мощности АЭТС;
  • экономия природного газа — его потребление сокращается в два раза;
  • экологическая чистота — исключение не менее чем 4 млн тонн вредных выбросов СО2 в год за счет замещения тепла от сжигания метана высокотемпературными ядерными реакторами.

Согласно предварительным оценкам, такой метод конкурентоспособен, учитывая сегодняшние мировые цены природного газа. При использовании тепла ВТГР экономия природного газа составляет более 40 % всех затрат газа (с учетом обеспечения всех энергопотребностей комплекса, при полном исключении выбросов СО2 с дымовыми газами).

Разработками в области крупнотоннажного ядерного производства водорода занимаются в лабораториях Айдахо, ORNL и General Atomics (США), институте ядерных и энергетических технологий INET Университета Синьхуа (Китай), Институте атомной энергии JAERI (Япония), Исследовательском институте атомной энергии KAERI (Республика Корея). В ближайшем будущем технологии получения водорода с использованием природного газа на базе ВТГР станут основными.

Все мировые системы производства энергии в одном списке

Сегодня для выработки энергии используются самые разные источники топлива. Их можно разделить на горючие / тепловые, ядерные или возобновляемые / альтернативные. Используемая технология также варьируется в зависимости от технических требований преобразования или преобразования источника топлива в полезную работу. Обычно это электричество.

Этот список предлагает вам полное представление об основных мировых энергетических системах.От общеизвестных до спорных, эти типы энергии буквально поддерживают наш мир в рабочем состоянии.

Сначала небольшое уточнение. В этой статье мы будем использовать термины мощность и энергия, но в чем именно разница?

Что такое энергия?

Проще говоря, энергия - это способность выполнять работу. Он может существовать в потенциальной, кинетической, термической, электрической, химической, ядерной или других различных формах. Например, можно сказать, что энергия - это то, что позволяет двигать вещи.

Энергия измеряется во многих различных единицах, но общие примеры включают джоулей , БТЕ , ньютон-метров и даже калорий . Что касается электрической энергии, наиболее часто используемой единицей является освященная ватт-час .

[Источник изображения: Pixabay ]

Что такое власть?

В то время как энергия измеряет «количество» проделанной работы, мощность показывает, насколько быстро она может быть выполнена. Мощность определяется как скорость производства или потребления энергии.

Стандартная единица электрической мощности - ватт. Это определяется как ток в один ампер, толкаемый напряжением в один вольт. (Это не так просто для переменного тока, но мы пока не будем это делать.)

Для большинства читателей различие очевидно, но очень часто энергия и мощность используются взаимозаменяемо. Проще говоря, мощность - это энергия в единицу времени. Мощность ватт. Энергия - ватт-часы.

Эволюция генерации энергии

Исторически выработка энергии производилась либо человеческим, либо животным трудом, сжиганием биомассы или механическим преобразованием для обеспечения полезной работы для выполнения задачи.Большинство из них все еще используются сегодня (ветряные мельницы, лошади, домашние пожары и т. Д.), Но не так эффективны или масштабируемы, как крупномасштабные системы производства энергии, такие как электростанции.

Современный мир в значительной степени полагается на электричество для повседневной работы, поэтому мы ограничим эту статью системами массового производства электроэнергии.

Большая часть энергии сегодня вырабатывается на электростанциях различной конструкции в зависимости от используемого источника топлива. В большинстве случаев электростанции потребляют топливо для производства электроэнергии для массового распределения.Почти все электростанции будут иметь генератор переменного тока или генератор переменного тока и трансформатор для выработки и транспортировки электроэнергии, иногда на очень большие расстояния.

Генераторы переменного тока - это фактически вращающаяся машина, которая преобразует механическую работу в электричество за счет относительного движения магнитных полей и проводников. Источник энергии, используемый для вращения вала генератора, сильно различается и в основном зависит от типа используемого топлива.

По оценке Международного энергетического агентства (МЭА), мировое потребление энергии в 2014 году составило 13 699 Мтнэ или 5.74 × 10 20 джоулей. Мтнэ означает миллион тонн нефтяного эквивалента. На следующих круговых диаграммах, составленных МЭА, показано расчетное потребление энергии во всем мире в период с 1973 по 2014 год.

Сравнение глобального энергопотребления 1973 и 2014 годов [Источник изображения: IEA ]

Типы электростанций

Начиная с электростанций предназначены для массового производства энергии, и сегодня в основном используются три типа. Три основных и надежных источника - это тепловой, ядерный и гидроэлектрический, а четвертый постоянно улучшающийся и растущий тип - возобновляемый или альтернативный.

Тепловая электростанция

На сегодняшний день наиболее традиционный тип системы производства энергии, тепловые электростанции, вырабатывают электроэнергию с достаточно высокой эффективностью. Эти типы установок сжигают ископаемое топливо, такое как уголь, для кипячения воды и производства перегретого пара для выработки электроэнергии внутри турбины. Пар вращает лопасти турбины, которая механически связана с ротором генератора переменного тока, вырабатывая полезную электроэнергию на экспорт.

[Источник изображения: Pixabay ]

Атомная электростанция

Атомные электростанции не так уж и отличаются от тепловых электростанций.Одно очевидное отличие - источник топлива. Основное отличие состоит в том, что углеводороды заменены радиоактивными элементами, такими как уран или торий. Топка и котел также заменяются реактором и теплообменными трубами.

Когда источник топлива подвергается ядерному делению в реакторах, генерируемое тепло затем передается воде в теплообменниках. Как и в случае с тепловыми электростанциями, перегретый пар затем используется для выработки и экспорта электроэнергии через турбину, генератор переменного тока и трансформатор.

Гидроэлектростанция

Используя силу воды под действием силы тяжести вместо пара, гидроэлектростанции часто используют плотину или реку для «хранения» воды в резервуаре. Когда вода выпускается и проходит через турбину, лопасти турбины вращаются, и электроэнергия вырабатывается почти так же, как на тепловых или атомных электростанциях.

Резервуары либо пополняются естественным путем за счет круговорота воды, либо механически «нагружаются» путем перекачивания воды из нижнего резервуара в верхний, готовый для будущего производства энергии.

Малая или микрогидроэнергетическая система может производить достаточно электроэнергии для дома, фермы или ранчо.

Производство гидроэлектроэнергии действительно имеет гораздо меньшую мощность по сравнению с ядерной или тепловой. По этой причине они в основном используются для поддержки тепловых и атомных станций во время пиковых нагрузок.

В США гидроэнергетика составляет около 10 процентов выработки энергии в стране.

Плотина Гувера [Источник изображения: Pixabay ]

Выработка альтернативной или возобновляемой энергии

Как уже упоминалось ранее, основная нагрузка на земной шар исходит от тепловых, атомных или гидроэлектростанций.В последние несколько десятилетий наблюдается рост альтернативных технологий генерации меньшего масштаба. Они часто используются для обслуживания отдельных потребностей или как часть более широкой энергетической политики, чтобы снизить потребность в потреблении более загрязняющих источников топлива.

Они делятся на следующие общие категории:

1. Производство солнечной энергии. (с использованием доступной солнечной энергии)

2. Производство геотермальной энергии. (Энергия, доступная в земной коре)

3. Производство приливной энергии (Использование силы моря)

4.Производство энергии ветра (энергия, получаемая от ветряных турбин)

Поскольку природные ресурсы со временем истощатся, в ближайшие десятилетия и столетия, вероятно, будут наблюдаться массовый дальнейший рост и развитие этих форм производства энергии. Это может быть результатом постепенного улучшения существующих технологий или создания совершенно новых и новаторских методов. Большие успехи достигаются в других системах производства энергии, и мы хорошо видим, что ядерный синтез "скоро" добавится к нашему энергобалансу.

СМОТРИ ТАКЖЕ: южнокорейские ученые побили рекорд ядерного синтеза

Эти 9 энергетических стартапов надеются изменить будущее производства и хранения энергии

От инновационных систем производства энергии до безуглеродного хранения энергии - эти энергетические стартапы надеются изменить будущее.Несмотря на то, что все они имеют разные решения, все они едины в своей миссии - сделать будущее чище и эффективнее.

СМОТРИ ТАКЖЕ: Достаточно ли 100% возобновляемой энергии для всего мира?

1. Получите мощность от кайтов с помощью Kite Power Systems

Источник: Kite Power Systems

Kite Power Systems, как следует из их названия, пытаются генерировать энергию с помощью воздушных змеев. Да, вы правильно прочитали, воздушные змеи.

Кажется, эта древняя технология снова изобретает себя заново.Их генеральный директор Саймон Хейес помог создать первую в мире коммерческую электростанцию ​​с воздушным змеевиком.

Саймон и компания полагают, что это вполне может стать «волшебным решением» мировых энергетических проблем.

Их система может использоваться на суше и в море и, что еще лучше, без необходимости в государственных субсидиях. Каждая установка состоит из набора воздушных змеев, летающих в форме восьмерки на высоте около 450 метров и высоты.

Каждая пара воздушных змеев натягивает трос, который впоследствии поворачивает турбину для выработки электричества и обеспечения непрерывного источника энергии.

«Воздушный змей может летать выше ветряной турбины и, следовательно, достигать более сильного ветра», - говорит Саймон (извините, мы не смогли устоять). Поскольку они являются воздушными змеями, их также очень легко транспортировать - вы просто складываете их.

2. Breezi хочет сократить потери энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Источник: breezi

Помимо утечек и герметичности, еще одно большое препятствие для энергоэффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) загрязнено или вышло из строя фильтры.

Этот энергетический стартап надеется предложить простой и относительно дешевый метод помощи менеджерам по энергетике и строительству в сокращении возникающих ненужных потерь энергии.

Breezi хочет сделать системы HVAC более эффективными, предлагая недорогое решение для обслуживания фильтров HVAC. Они рекламируют свои продукты как «фитнес-продукты» для таких систем.

В то время как более крупные системы, вероятно, уже имеют сложный набор датчиков воздушного потока и других датчиков, интегрированных с BMS; это устройство предназначено для тех, кто этого не делает. Маленький датчик можно с легкостью вставить в воздушный фильтр системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и сразу же начать предоставлять полезную информацию для мониторинга.

AirPulse Breezi затем использует аудиодатчики и искусственный интеллект, чтобы выяснить, что, если что-то не так, с системой HVAC клиента.Он также может предложить предложения относительно того, когда следует изменить фильтр.

3. American Wind создает волны в ветроэнергетике

Источник: American Wind

American Wind, как следует из названия, надеется произвести фурор в ветроэнергетике. Они разработали инновационную ветряную турбину кубической формы, которая обещает обеспечить выработку энергии почти в , 1000 раз в раз больше, чем солнечная панель аналогичного размера.

Их ветряная турбина MicroCube измеряет жалкие 22.9 на 22,9 на 33 см , но пусть вас не обманывают его миниатюрные размеры.

"MicroCube ™ маленький, очень маленький, причем кубическая версия турбины немного меньше, чем ваш стандартный баскетбольный мяч (9 дюймов в кубе). MicroCube ™ поставляется с генератором мощностью 1 киловатт, который получает большую мощность от небольшого корпуса. Другое преимущество небольшого размера состоит в том, что мы можем разместить более 100 MicroCubes на той же площади, что и некоторые из наших конкурентов."- American Wind.

4. Constructis хочет регенерировать энергию с дорог

Constructis - интересный и инновационный энергетический стартап, не говоря уже о необычном.

Им удалось разработать устройство, которое может собирать кинетическую энергию от транспортных средств на дорогах, когда они проезжают по ним. Это почти похоже на «лежачий полицейский».

"CONSTRUCTIS возглавляет революцию в области кинетической энергии с системой электропитания на дорогах с нулевым выбросом углерода.Наша платформа Roadway Energy X (REX) представляет собой коробку с грохотом, похороненную в проезжей части, которая собирает более 1100 ватт электроэнергии на каждый проезд двухосного автомобиля, чего достаточно для питания 3 семейных домов с установленными всего 4 полосами движения », - Constructis.

Хотя фактическое количество энергии, которое он может собрать, на данный момент относительно невелико, если его увеличить (и снизить производственные затраты), он может оказаться ценным дополнением к энергобалансу города.

Это может оказаться полезным в тех местах, где машинам нужно замедлить ход.В этом смысле его можно использовать для сбора кинетической энергии, когда она все равно тратится на торможение.

5. Nostromo Energy хочет заменить Li-on водой

Источник: Nostromo Energy

Nostromo Energy - это энергетический стартап, пытающийся прорваться в бизнес по хранению энергии. Они предоставляют новые и инновационные, не говоря уже о доступных решениях для хранения, заменяя литий-ионные батареи на гораздо лучшую альтернативу - воду.

«Пока все говорят о глобальном потеплении и хранении энергии на основе литий-ионных аккумуляторов, мы нашли способ использовать воду в качестве мощного конденсатора и решить самую важную проблему электрических сетей: высокие пиковые нагрузки, которые полностью подвержены требования к охлаждению, e.г., коммерческие чиллеры. Мы разработали самую чистую, безопасную и наиболее экономичную систему хранения энергии, доступную сегодня и в обозримом будущем ». - Nostromo.

Их литий-ионная альтернатива называется Icebrick. Это модульная тепловая ячейка, которая, как они говорят, , В 10 раз более эффективный в хранении энергии, чем другие альтернативы.

Он также поставляется с 15-летней гарантией.

6. SEaB Energy выпустила инновационную систему WtE

Источник: SEaB

SEaB пытается задействовать на рынке отходов в энергию (WtE).Они разработали систему, которая может превратить соседние или коммерческие отходы в их собственную частную микроэлектростанцию.

Две их основные системы, Flexibuster (для пищевых отходов) и Muckbuster (для сельскохозяйственных отходов), могут поместиться в транспортный контейнер и вырабатывать электричество и тепло из вещей, которые вы обычно просто выбрасываете.

Самое приятное то, что эти системы могут отправлять электроэнергию в свою собственную выделенную микросеть для совместного использования между соседями.

Компания уже имеет несколько контрактов с NHS в Великобритании, которые используют ее для значительных сбережений, которые можно реинвестировать туда, где это необходимо, - в реальное здравоохранение.

Эти системы не только помогают вырабатывать тепло и электроэнергию, но и снижают потребность в сбросах. Победа, победа.

7. Weave Grid пытается сделать подзарядку электромобилей умнее

Источник: Weave Grid

Weave Grid надеется создать систему реагирования на энергопотребление для зарядки электромобилей. В связи с тем, что в последнее время использование электромобилей возросло, некоторые районы начали страдать от серьезных перегрузок электросетевого оборудования, когда люди подключают свои электромобили к зарядке после работы.

Эти руководители планируют динамически решать эту проблему и использовать любые собранные данные, чтобы помочь жильцам принимать более разумные решения о взимании платы.

"Weave Grid объединяет данные из нескольких источников для обеспечения осведомленности и координации системы распределения, используя гибкость тарификации для совместной оптимизации системы и потребностей пользователей, доступных ресурсов и рыночных условий. Наше программное обеспечение предоставляет простое, надежное и элегантное решение для многочисленные проблемы, связанные с электромобилями, с которыми сталкиваются электроэнергетические компании при извлечении максимальной выгоды из объединения транспортных средств ». -Плетение сетки через Tomkat.

8. HST Solar хочет помочь разработчикам солнечных ферм

HST Solar более зрелая, чем другие в списке, сформированном более 4 лет назад.Несмотря на это, они планируют использовать ИИ для проектирования солнечных электростанций.

Они надеются помочь разработчикам солнечных батарей в более удобном проектировании планировки ферм. Это позволяет им создавать наиболее эффективные макеты на различных ландшафтах с множеством препятствий, таких как деревья или холмы.

Таким образом, по словам генерального директора и соучредителя компании Сантанова Чаудрухи, затраты на развитие солнечной фермы должны снизиться на 10-20%. Это заметно улучшит рентабельность инвестиций ферм.

По их мнению, это также должно помочь разработчикам выиграть больше тендеров и ускорить процесс разработки; не говоря уже о значительной экономии времени и головной боли.

9. h3GO Power хочет использовать водород для хранения энергии

Источник: h3GO Power

h3GO Power, соучредителем которого является Або-Хамед, является энергетическим стартапом, который пытается разработать твердотельный способ хранения энергии водорода. На самом деле это дочерняя компания Кембриджского университета.

Как и многие другие, компания считает, что будущее за хранением энергии, а не за ее производством.Их инновация заключается в разработке недорогого и безопасного решения для производства и хранения водорода.

Согласно их веб-сайту, «Наша миссия состоит в том, чтобы обеспечить доступную и надежную энергию для миллионов людей во всем мире экологически чистым способом, что окажет серьезное воздействие на общество и окружающую среду».

Их решение состоит в том, чтобы хранить и использовать газообразный водород, который может быть использован в топливных элементах с использованием наноматериалов, для создания губки, улавливающей газообразный водород. Позже он может быть выпущен для использования в будущем.

«Вместо баллона высокого давления водород хранится как твердое безуглеродное топливо с выделением водорода по запросу через наш защищенный патентом катализатор.Распределение энергии с помощью твердотельного топлива является альтернативой электрическим и газовым сетям ". - h3GO Power.

Распределенное производство электроэнергии и его воздействие на окружающую среду | Энергия и окружающая среда

Посмотреть интерактивную версию этой схемы >>

О распределенной генерации

Распределенная генерация - это различные технологии, которые генерируют электричество там, где она будет использоваться или поблизости от нее, например, солнечные панели и комбинированное производство тепла и электроэнергии.Распределенная генерация может обслуживать одну структуру, такую ​​как дом или бизнес, или она может быть частью микросети (меньшая сеть, которая также связана с более крупной системой доставки электроэнергии), например, на крупном промышленном объекте, военной базе. , или большой кампус колледжа. При подключении к низковольтным распределительным линиям электроэнергетической компании распределенная генерация может помочь обеспечить доставку чистой и надежной энергии дополнительным потребителям и снизить потери электроэнергии по линиям передачи и распределения.

В жилом секторе распространенные системы распределенной генерации включают:

  • Солнечные фотоэлектрические панели
  • Малые ветряные турбины
  • Топливные элементы, работающие на природном газе
  • Аварийные резервные генераторы, обычно работающие на бензине или дизельном топливе

В коммерческом и промышленном секторах распределенная генерация может включать такие ресурсы, как:

  • Комбинированные теплоэнергетические системы
  • Солнечные фотоэлектрические панели
  • Ветер
  • Гидроэнергетика
  • Сжигание или совместное сжигание биомассы
  • Сжигание твердых бытовых отходов
  • Топливные элементы, работающие на природном газе или биомассе
  • Поршневые двигатели внутреннего сгорания, включая резервные генераторы, которые могут работать на масле

Распределенная генерация в США

В Соединенных Штатах насчитывается более 12 миллионов единиц распределенной генерации, что составляет примерно одну шестую мощности существующих в стране централизованных электростанций. [1] Использование распределенной генерации увеличилось по ряду причин, в том числе:

  • Возобновляемые технологии, такие как солнечные батареи, стали экономически эффективными для многих домовладельцев и предприятий.
  • Несколько штатов и местные органы власти продвигают политику, поощряющую более широкое внедрение возобновляемых технологий из-за их преимуществ, включая энергетическую безопасность, отказоустойчивость и сокращение выбросов.
  • Системы распределенной генерации, в частности, комбинированные генераторы тепла и электроэнергии и аварийные генераторы, используются для обеспечения электроэнергией во время перебоев в подаче электроэнергии, в том числе тех, которые возникают после сильных штормов и в дни высокой потребности в энергии.
  • Сетевые операторы могут полагаться на некоторые предприятия при эксплуатации своих локальных аварийных генераторов для поддержания надежного электроснабжения всех потребителей в часы пиковых нагрузок.

Системы распределенной генерации подчиняются иному сочетанию местных, государственных и федеральных политик, нормативных требований и рынков по сравнению с централизованной генерацией. Поскольку политика и стимулы сильно различаются от одного места к другому, финансовая привлекательность проекта распределенной генерации также варьируется.

По мере того как электроэнергетические компании интегрируют информационные и коммуникационные технологии для модернизации систем поставки электроэнергии, могут появиться возможности для надежного и экономичного увеличения использования распределенной генерации.

Воздействие распределенной генерации на окружающую среду

Распределенная генерация может принести пользу окружающей среде, если ее использование снижает количество электроэнергии, которая должна вырабатываться на централизованных электростанциях, что, в свою очередь, может снизить воздействие на окружающую среду централизованной генерации.В частности:

  • Существующие рентабельные технологии распределенной генерации могут использоваться для выработки электроэнергии в домах и на предприятиях с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер.
  • Распределенная генерация может использовать энергию, которая в противном случае могла бы быть потрачена впустую - например, через систему комбинированного производства тепла и электроэнергии.
  • Используя местные источники энергии, распределенная генерация снижает или устраняет «потери в линии» (потери энергии), которые происходят во время передачи и распределения в системе поставки электроэнергии.

Однако распределенная генерация также может привести к негативному воздействию на окружающую среду:

  • Системы распределенной генерации требуют «следа» (они занимают место), и поскольку они расположены ближе к конечному пользователю, некоторые системы распределенной генерации могут быть неприятны для глаз или вызывать проблемы с землепользованием.
  • Технологии распределенной генерации, которые включают сжигание, особенно сжигание ископаемого топлива, могут вызывать многие из тех же типов воздействий, что и более крупные электростанции, работающие на ископаемом топливе, например, загрязнение воздуха.Эти воздействия могут быть меньше по масштабу, чем воздействия от большой электростанции, но также могут быть ближе к населенным пунктам.
  • Некоторые технологии распределенной генерации, такие как сжигание отходов, сжигание биомассы и комбинированное производство тепла и электроэнергии, могут потребовать воды для производства пара или охлаждения.
  • Системы распределенной генерации, использующие сжигание, могут быть менее эффективными, чем централизованные электростанции из-за эффективности масштаба.

Распределенные энергетические технологии могут вызвать некоторые негативные экологические проблемы в конце своего срока полезного использования при замене или удалении.


[1] Распределенная генерация оценивается примерно в 200 гигаватт в исследовании 2007 года, проведенном Федеральной комиссией по регулированию энергетики (FERC). По данным Управления энергетической информации США, общая номинальная мощность централизованных электростанций США на 2012 год составляла более 1100 гигаватт.

Производство электроэнергии за счет солнечной энергии, технологии и экономики

(Технология и экономика)

Земля получает от Солнца больше энергии всего за час, чем население Земли потребляет за год.

Полный поток солнечной энергии, перехватываемый Землей в любой конкретный день, составляет 4,2 X 10 18 Вт-часов или 1,5 X 10 22 Дж (или 6,26 X 10 20 Дж в час). Это эквивалентно сжиганию 360 миллиардов тонн нефти (тнэ) в день или 15 миллиардов тнэ в час.

Фактически, общее мировое потребление энергии всех форм в 2000 году составляло всего 4,24 X 10 20 Джоулей.В 2005 году он составлял 10 537 Мтнэ (Источник: Статистический обзор мировой энергетики ВР, 2006 г.)

Солнечное излучение

Солнечный свет бывает разных цветов, в нем сочетаются инфракрасные фотоны низкой энергии (1,1 эВ) с фотонами ультрафиолетового излучения высокой энергии (3,5 эВ) и все фотоны видимого света между ними.

На приведенном ниже графике показан спектр солнечной энергии, падающей на плоскость, прямо обращенную к Солнцу, за пределами атмосферы Земли на среднем расстоянии Земли от Солнца.Площадь под кривой представляет полную энергию в спектре. Известная как «Солнечная постоянная» G 0 , она равна 1367 Вт на квадратный метр (Вт / м 2 ).

Энергия излучения, попадающая в видимый спектр, составляет около 43% от общей, из которых около 52% приходится на инфракрасную область и 5% - на ультрафиолетовую.

На графике ниже показана энергия на уровне моря.

Прямая энергия - это энергия, получаемая непосредственно от солнца.

Глобальная энергия включает энергию, рассеянную, рассеянную или отраженную от облаков, и энергию, повторно излучаемую самой Землей.

Энергия, полученная на уровне моря, составляет около 1 кВт / м 2 в полдень около экватора

Облучение и инсоляция

Полная солнечная освещенность определяется как количество лучистой энергии, излучаемой Солнцем на всех длинах волн, а не только в видимом свете, падающую каждую секунду на перпендикулярную плоскость площадью 1 квадратный метр вне атмосферы Земли на заданном расстоянии от Солнца.Она примерно постоянна и колеблется всего на несколько частей на тысячу изо дня в день.

На внешней поверхности атмосферы Земли энергетическая освещенность известна как солнечная постоянная и равна примерно 1367 Вт на квадратный метр.

Количество солнечной энергии, которая фактически проходит через атмосферу и ударяет в определенную область на Земле за определенное время, зависит от широты, времен года и погоды и называется инсоляцией (падающая солнечная радиация).

Когда Солнце находится прямо над головой, инсоляция, то есть падающая энергия, поступающая на поверхность земли перпендикулярно солнечным лучам, обычно составляет 1000 Вт на квадратный метр. Это происходит из-за поглощения энергии Солнца атмосферой Земли, которая рассеивает от 25% до 30% лучистой энергии.

Инсоляция увеличивается с высотой

Термины «освещенность» и «инсоляция» часто используются как синонимы для обозначения одного и того же.

Доступная солнечная энергия

Так как площадь поперечного сечения Земли составляет 127 400 000 км², общая мощность Солнца, перехватываемая Землей, составляет 1,740 × 10 17 Вт, но при вращении в течение ночи энергия не поступает, и энергия Солнца распределяется по всей Земле. площадь поверхности, большая часть которой не нормальна для солнечных лучей в течение большей части дня, так что средняя инсоляция составляет только четверть солнечной постоянной или около 342 Вт на квадратный метр.Принимая во внимание сезонные и климатические условия, фактическая мощность, достигающая земли, обычно составляет менее 200 Вт на квадратный метр. Таким образом, средняя мощность, перехватываемая земной поверхностью в любое время, составляет около 127,4 X 10 6 X 10 6 X 200 = 25,4 X 10 15 Вт или 25 400 Тераватт.

Суммируя эту мощность за весь год, общая солнечная энергия, полученная Землей, составит:

25 400 ТВт X 24 X 365 = 222 504 000 Тераватт-часов (ТВтч)

Для сравнения: общая годовая электрическая энергия (не общая энергия), потребляемая в мире из всех источников в 2011 году, составила 22 126 ТВт-ч (Международное энергетическое агентство (МЭА)).Таким образом, доступная солнечная энергия более чем в 10 056 раз превышает мировое потребление. Солнечная энергия, конечно, должна быть преобразована в электрическую, но даже при низкой эффективности преобразования всего 10% доступная энергия будет составлять 22 250 400 ТВт-ч или более чем в тысячу раз больше потребления. Используя такую ​​же низкую эффективность преобразования, весь мировой спрос на электроэнергию может быть обеспечен с помощью солнечной панели длиной 127 000 км 2 . Теоретически это может быть обеспечено шестью солнечными электростанциями протяженностью 21 100 км, 2 или 145,3 км на каждую сторону, по одной станции в каждой из жарких и бесплодных континентальных пустынь Австралии, Китая, Ближнего Востока, Северной Африки, Южной Америки и других стран. США или одна большая солнечная установка, покрывающая 1% пустыни Сахара.

К сожалению, щедрость Солнца может быть получена только в дневное время, и некоторая энергия должна быть сохранена для использования в темное время суток, а требование распределять энергию на большие расстояния туда, где это необходимо, делает это предложение непрактичным. Пример служит просто для иллюстрации обилия солнечной энергии.

Однако практично построить более эффективные солнечные электростанции меньшего размера для удовлетворения потребностей местных сообществ с использованием бесплатной солнечной энергии, когда она доступна в сочетании с другими другими источниками энергии или некоторыми местными накопителями энергии, где это возможно.Несмотря на это, менее 0,1% мирового спроса на первичную энергию обеспечивается солнечной энергией.

Хотя использование фотоэлектрических солнечных элементов для обеспечения мировых потребностей в электроэнергии может быть технически практичным, все же это самый дорогой способ производства электроэнергии. См. Диаграмму затрат на производство электроэнергии и экономики отечественной солнечной фотоэлектрической системы

.

Эквивалентные часы полного солнца (EHS)

Из-за различий в интенсивности солнечного излучения в течение дня, а также вариаций продолжительности дня, трудно проводить сравнения энергии Солнца, падающей на Землю в разных местах.На графике напротив показан пример, в котором инсоляция достигает 1000 Вт / м 2 в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке неба. Инсоляция 1000 Вт / м 2 известна как «полное солнце». В большинстве случаев падающая энергия ниже этого значения, потому что она зависит от угла падения солнечных лучей на землю, увеличиваясь в течение дня с очень низкого значения на рассвете, когда Солнце поднимается до пика в полдень и снова падает. как солнце садится. (См. Угол падения ниже).Точно так же инсоляция будет уменьшаться на более высоких широтах из-за влияния воздушной массы (см. Ниже).

График также показывает, что в этом случае общая полученная энергия за 10 часов дневного света составит 3,5 кВтч.

Если бы инсоляция была постоянной на уровне 1000 Вт / м 2 , такое же количество энергии было бы получено за 3,5 часа. Эквивалентные часы полного солнечного света - это мера средней инсоляции в разных местах.В этом случае EHS составляет 3,5 часа.

Доступная солнечная энергия и, следовательно, Эквивалентные часы полного солнечного света (EHS) также зависят от атмосферных условий облачности и загрязнения. См. «Доступная энергия - практические системы» ниже.

Концепция EHS полезна для сравнения потенциала солнечных энергетических систем при установке в разных географических точках.

Улавливание солнечной энергии

Солнечная энергия может улавливаться в двух формах: в виде тепла или электроэнергии.

  • Тепловые системы
  • Тепловые системы улавливают тепловую энергию Солнца (инфракрасное излучение) в некоторой форме солнечного коллектора и используют ее в основном для обеспечения горячей воды или обогрева помещений, но тепло также может использоваться для выработки электроэнергии путем нагрева рабочей жидкости в тепловом двигателе. который, в свою очередь, приводит в действие генератор.

  • Фотоэлектрические системы
  • Фотогальванические системы улавливают солнечное излучение более высокой частоты (видимое и ультрафиолетовое) в виде массива полупроводников, фотоэлектрических элементов, которые преобразуют лучистую энергию непосредственно в электричество.

Фактическая солнечная энергия или инсоляция, достигающая солнечного коллектора или массива, зависит от его положения на Земле, его ориентации, а также непрерывно изменяется со временем, а также от погодных условий.

Количество захваченной энергии прямо пропорционально площади фронта солнечной энергии, перехваченной коллектором.

Немного геометрии

Ориентация солнечного коллектора или фотоэлектрической батареи по отношению к положению Солнца является основным определяющим фактором эффективности солнечной энергетической системы.

Угол падения

Количество энергии, падающей на коллектор или решетку, прямо пропорционально площади волнового фронта излучения, который он перехватывает.Для оптимального захвата энергии коллектор должен быть перпендикулярен солнечным лучам при угле падения 90 °. Для плоской пластины на земле это происходит только тогда, когда Солнце находится прямо над головой. К сожалению, если вы не живете в тропиках, этого никогда не будет, и солнечные батареи должны быть наклонены к Солнцу для получения максимальной инсоляции.

Когда падающая энергия не перпендикулярна коллектору, угол падения составляет (90 ° - Θ) , а эффективная площадь коллектора составляет A.cosΘ , где - площадь коллектора, а Θ - отклонение от перпендикуляра излучения.

На приведенной выше диаграмме воздушная масса соответствует коэффициенту ( 1 / cosΦ )

Масса воздуха

Воздушная масса - это безразмерная величина, определяемая как отношение между фактической длиной пути солнечного излучения через атмосферу и длиной вертикального пути через атмосферу на уровне моря.

Если излучение Солнца не перпендикулярно Земле, путь прохождения через атмосферу Земли будет длиннее и, следовательно, энергия, поглощаемая на пути к коллектору или массиву, будет больше.

Эффект от более длинного маршрута через атмосферу заключается в увеличении поглощения энергии (или потери энергии) в 1 / cos Φ , где Φ - отклонение от перпендикуляра излучения, также называемое зенитным углом.

Таким образом, в полярных регионах, когда Φ приближается к 90 градусам ( cosΦ> 0 ), инсоляция очень мала, даже если коллектор направлен прямо на Солнце, из-за более длинного пути через атмосферу.

  • Высота
  • Инсоляция увеличивается с высотой, поскольку излучение проходит через меньшую массу воздуха, следовательно, поглощение энергии атмосферой меньше.

Немного астрономии

Чтобы вычислить, как солнечная инсоляция меняется со временем и с положением коллектора на поверхности Земли, нам нужно немного знать астрономию.

Хотя Земля движется вокруг Солнца, для целей расчета энергии, перехватываемой нашими коллекторами, часто удобно предположить, что Земля неподвижна, а Солнце движется относительно Земли во многом так же, как это делали древние до Коперника. указал на их ошибку.Если предположить, что Земля не вращается, видимая траектория Солнца следует в двухмерной плоскости неба, называемой эклиптикой.

  • Позиция
  • Положение Солнца на небе относительно наблюдателя на Земле определяется его высотным углом α (угол возвышения Солнца) и его азимутальным углом Ψ .

  • Орбита Земли
  • Земля вращается вокруг Солнца с одним оборотом в год по эллиптической орбите, при этом Солнце находится в одном из фокусов эллипса.Однако два фокуса орбиты очень близки друг к другу, так что орбита почти круговая, расстояние до Солнца от перигелия, точка на его орбите, ближайшая к Солнцу, всего на 3% меньше, чем расстояние от афелия, самое дальнее расстояние.

    Поскольку орбита почти круговая, влияние орбиты на солнечное излучение остается практически постоянным в течение всего года, пока Земля вращается вокруг Солнца. Фактическая энергия, получаемая на любом расстоянии от Солнца, определяется законом обратных квадратов.Таким образом, изменение расстояния на 3% приводит к изменению освещенности на 6%.

  • Вращение Земли
  • Вращение Земли один раз в день определяет наш день и ночь. Когда Земля вращается, инсоляция в любой точке ее поверхности повышается до максимума в середине дня и падает до нуля в течение ночи, поскольку Земля представляет собой другую сторону по отношению к Солнцу. Для максимальной эффективности ориентация коллектора должна следовать за Солнцем, когда оно проходит над головой с востока на запад.

  • Широта
  • Солнечный коллектор или массив, размещенный на земле, получает максимальную инсоляцию только тогда, когда Солнце находится прямо над головой. Поскольку Земля имеет примерно сферическую форму, угол между плоскостью поверхности Земли и падающим солнечным излучением будет постепенно увеличиваться с 90 градусов по мере того, как мы удаляемся от экватора к верхним и нижним широтам на угол Θ , равный широте. наблюдателя.В этот момент угол высоты α Солнца будет ( 90 - Θ ) градусов. Из-за увеличения наклона земной поверхности инсоляция, принимаемая коллектором, размещенным на поверхности, будет постепенно уменьшаться.

    Этот недостаток можно преодолеть, наклонив коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам. Величина возвышения от горизонтали, угол наклона, должен быть равен углу Θ широты места расположения коллектора.

    Для максимального эффекта ось наклона должна быть перпендикулярна полярной оси. То есть в северном полушарии направление коллектора должно указывать строго на юг.

    Обратите внимание, что полярная ось не совпадает с пеленгом компаса, потому что магнитные полюса не обязательно точно совпадают с геометрическими полюсами. Угол между магнитным и географическим меридианами в любом месте называется магнитным склонением или вариацией и может достигать 20 градусов и более.Он выражается в градусах востока или запада, чтобы указать направление магнитного севера от истинного севера.

    К сожалению, кажется, что Солнце не движется по постоянной траектории в экваториальной плоскости Земли. Кажется, что летом он движется на север, а зимой на юг. Фактически Солнце находится в неподвижном состоянии, и эффект вызван наклоном оси вращения Земли.

  • Наклон Земли
  • Ось вращения Земли наклонена примерно на 23 °.45 градусов от плоскости его орбиты. Этот наклон по существу постоянен, поддерживается в этом направлении из-за гироскопического действия вращения Земли и всегда указывает в одном направлении относительно звезд, так что Северный полюс указывает на звезду Полярную, Полярную звезду. Однако в течение очень долгих периодов времени, измеряемых тысячами лет, направление земной оси медленно меняется из-за гироскопической прецессии.

    Фиксированная ориентация в пространстве оси Земли, когда она вращается вокруг Солнца, определяет продолжительность дня и создает времена года в мире.В день летнего солнцестояния самый длинный день. северная половина Земли указывает на Солнце, создавая лето в Северном полушарии. Зимнее солнцестояние, самый короткий день в северном полушарии, наступает, когда Земля совершает поворот на 180 градусов по своей орбите, а северное полушарие направлено в сторону от Солнца.

    С Земли кажется, что ось вращения Земли раскачивается назад и вперед. Кажущийся наклон земной оси соответствует угловому положению Солнца в его наивысшей точке на небе по отношению к точке наблюдения на плоскости экватора и называется склонением Солнца δ (не путать с магнитным вариация, также называемая склонением).

    Весеннее (весеннее) и осеннее равноденствия в марте и сентябре, когда день и ночь имеют одинаковую продолжительность, происходят, когда Земля находится на полпути между солнцестояниями. Тогда плоскость наклона перпендикулярна направлению Солнца от Земли, так что инсоляция одинакова в обоих полушариях.

    В результате наклона Земли интенсивность инсоляции меняется в течение года, что приводит к смене времен года.Это не потому, что наклон заставляет точку на поверхности Земли перемещаться ближе или дальше от Солнца. Изменение расстояния незначительно. Это связано с тремя факторами:

    • Кажущийся наклон Земли изменяет угол падения солнечного излучения, изменяя ее инсоляцию на единицу площади, как указано на диаграмме выше.
    • В то же время наклон также изменяет длину пути излучения через атмосферу, что, в свою очередь, изменяет количество энергии Солнца, поглощаемой атмосферой.(также показано на той же диаграмме выше).
    • Наклон также изменяет количество светового дня.

    Все эти факторы работают вместе, чтобы уменьшить как интенсивность, так и суточную продолжительность инсоляции в зимние месяцы.

    Если смотреть из северного полушария Земли, склонение Солнца меняется в течение года от минус 23,45 ° летом до плюс 23 °.45 ° зимой.

    С учетом склонения Солнца угол высоты α Солнца составляет ( 90 - Θ ± δ ) градусов.

    Угол наклона солнечных коллекторов от горизонтали для максимальной эффективности должен составлять ( Θ ± δ ) градусов, и коллектор должен иметь возможность следить за этим изменением наклона в течение года.

  • Время
  • К счастью, как источник возобновляемой энергии Солнце гораздо более предсказуемо, чем ветер.Оно возникает каждое утро и уходит каждую ночь. Интенсивность ветра может быть очень разной, но он доступен 24 часа в сутки, а солнечная энергия доступна только в светлое время суток. По крайней мере, солнечная энергия надежна и доступна тогда, когда она больше всего нужна - в часы пиковой нагрузки.

    Хотя инсоляция подвержена двум временным изменениям: суточному (суточному) циклу из-за вращения Земли и годичному циклу из-за наклона оси Земли, мы точно знаем величину этих эффектов в любое время, чтобы мы могли спроектировать наши солнечные энергосистемы соответственно.Однако менее предсказуемо влияние погоды.

    Если они не подключены к сети, системы, которые должны обеспечивать энергией по запросу, нуждаются в каком-либо накопителе энергии или альтернативном источнике энергии в темное время суток.

Немного метеорологии

К сожалению, мы не контролируем погоду. В пасмурную погоду может значительно снизиться энергия, получаемая от земли.Очевидно, что солнечные электростанции лучше всего размещать в регионах с минимальной облачностью, запыленностью и загрязнением воздуха. По крайней мере, у нас обычно есть статистика о погодных условиях в регионах, чтобы помочь в выборе подходящего места для солнечных электростанций.

Для определения размеров солнечной энергосистемы важно знать количество часов дневного света, ожидаемое в месте расположения объекта. Обычно его можно получить в национальных метеорологических службах и учреждениях по исследованию окружающей среды, а также в НАСА в США.Еще больше помогает, если они могут предоставить таблицы ожидаемой солнечной энергии для региона.

Примечание. Важно проверить основу данных. Некоторые организации указывают на солнечную инсоляцию на горизонтальной поверхности, то есть на земле. Другие основывают свои данные на инсоляции коллектора с фиксированным углом наклона, соответствующим широте местоположения.

Захват энергии и ориентация коллектора / массива

В таблице напротив показано, как эффективность солнечной батареи или коллектора уменьшается по мере того, как их ориентация и наклон смещаются от оптимального положения.

Пример показывает, что для захвата максимальной солнечной энергии массивом, расположенным на широте 35 ° северной широты, оптимальная ориентация массива направлена ​​на юг, а оптимальный наклон такой же, как и широта, в данном случае 35 °.

Если массивную систему необходимо установить на крыше с уклоном 45 ° на здании, направленном на юго-запад, она получит максимум около 90% доступной солнечной энергии.

Солнечное слежение

Как указано выше, количество энергии, захваченной солнечной системой, может быть максимизировано, если коллектор может следовать по эклиптическому пути Солнца, так что плоскость коллектора или массива всегда перпендикулярна направлению Солнца.

Автоматические механические системы слежения позволяют отслеживать как азимут, так и высоту положения Солнца для максимального захвата энергии.

Обратите внимание на более низкий зенит и уменьшенный диапазон азимута зимнего Солнца. На диаграмме ниже показано, что в Великобритании доступная энергия зимнего Солнца составляет от одной шестой до одной двенадцатой энергии летнего Солнца в зависимости от широты.

  • Отслеживание азимута
  • Отслеживание азимута удерживает коллектор направленным на Солнце во время вращения Земли.

    Инсоляция колеблется от нуля до максимального значения в течение каждого дня и остается около максимального значения в течение относительно короткого периода времени. Отслеживание азимута позволяет коллекционеру следить за Солнцем с востока на запад в течение дня и приносит максимальную пользу.

    Пассивные системы обеспечивают простейшую форму отслеживания азимута. У них нет двигателей, контроллеров или редукторов, и они не расходуют энергию, захваченную коллектором.Они зависят от дифференциального нагрева двух соединенных между собой трубок газообразных хладагентов, по одной с каждой стороны коллектора. Если коллектор не направлен на Солнце, одна сторона нагревается больше, чем другая, и испаряет хладагент. Результирующее изменение веса используется в механическом приводном механизме для поворота коллектора к Солнцу, где он останется, когда температура и вес двух трубок будут уравновешены.

    Активное отслеживание также возможно за счет использования датчиков температуры и системы управления с линейными исполнительными двигателями, получающими мощность привода от системы.

  • Отслеживание высоты / места
  • Отслеживание высоты позволяет коллекционеру отслеживать сезонные изменения высоты Солнца, но экономические выгоды меньше, чем при отслеживании азимута.

    По сравнению с дневными колебаниями инсоляции, сезонные колебания очень медленные, а диапазон колебаний из-за склонения Солнца гораздо более ограничен.Из-за этого разумный прирост эффективности можно получить, просто регулируя высоту коллекторов вручную каждые два месяца. Чтобы избежать затрат и сложности отслеживания высот, может быть более рентабельным просто указать более крупные коллекторы.

  • Двухосное слежение
  • Комбинация слежения за азимутом и возвышением позволяет установке захватывать максимальную энергию с использованием минимально возможных коллекторов, но системы сложны, и многие установки обходятся только отслеживанием азимута.

Солнечные коллекторы

Солнечный коллектор - это просто поверхность, собирающая тепло, которая улавливает излучаемую энергию Солнца и нагревает рабочую тепловую жидкость. В практических тепловых системах обычно более удобно сосредоточить тепловую энергию Солнца на небольшом приемнике, чтобы получить более высокий рост температуры рабочей жидкости. Такие коллекторы называют концентраторами. Единицы, используемые сообществом концентраторов солнечной энергии для выражения степени концентрации зеркальной системы, аналогичной коэффициенту увеличения линзы, называются «Солнца» . Обратите внимание, что эта единица не является точно определенной величиной.

Концентраторы

Типичные концентраторы состоят из параболических зеркал, которые отражают параллельные солнечные лучи в одну точку в фокусе зеркала.

  • Параболическая тарелка
  • Параболическая тарелка улавливает энергию, перехваченную тарелкой, и концентрирует ее на подходящем поглотителе тепла, расположенном в фокусе. Количество захваченной энергии и, следовательно, повышение температуры поглотителя будет пропорционально площади тарелки. Ограничения по размеру антенны ограничивают ее применение в небольших системах мощностью от 10 до 50 кВт.

  • Параболический желоб
  • В более крупных системах используются массивы зеркал в форме параболических желобов, ориентированных с севера на юг для концентрации солнечного излучения. Обычно они также включают в себя систему слежения, позволяющую отслеживать путь Солнца в течение дня.

    Источник: Министерство энергетики США (EERE)

    Тепловой поглотитель, трубка, расположенная вдоль фокальной линии зеркала, содержит рабочую жидкость, которая нагревается солнечным излучением до высокой температуры и используется для привода теплового двигателя.

  • Power Tower
  • Альтернативная конфигурация концентратора - Power Tower, в которой используется большой набор параболических зеркал, сфокусированных на солнечной печи, установленной на вершине башни. Из-за большого фокусного расстояния зеркала почти плоские.

    Как и в случае желобных концентраторов, солнечная печь используется для подъема пара для привода турбогенератора.

  • Гелиостаты - это зеркала, отслеживающие солнце, которые используются для отражения солнца на вершине башни солнечной энергии.
  • Источник David66

    Это пример гелиостата экспериментальной станции THÉMIS во Франции.Зеркало вращается как по азимуту, так и по углу места.

    Источник: США НАСА

    На этой фотографии ниже показан проект солнечно-тепловой энергии недалеко от Даггетта, Калифорния. Каждое зеркало в поле гелиостата непрерывно отражает солнечный свет на приемник на вышке.

Доступная энергия - Практические системы

В таблице ниже показана солнечная энергия, доступная на двух крайних широтах, и указаны верхний и нижний пределы солнечной энергии, падающей на Землю. Инсоляция (кВтч / м 2 / день) - это среднемесячная падающая энергия, падающая на горизонтальную поверхность в данном месте. Также называется «эквивалентными солнечными часами» или «часами полного солнца» (см. Определение)

Солнечная энергия доступна в разных широтах

Расположение

Широта

Градусов

Высота
Счетчики

Отслеживание

Изоляция кВтч / м 2 / день

июня

декабрь

Анкоридж, Аляска

61.17 ° с.ш.

35

Нет

4,5

0,6

2 оси

6,8

0,7

Кито,

Эквадор

0.47 ° ю.ш.

2851

Нет

4,38

4,81

2 оси

6.09

6,62

Из-за облачности и загрязнения указанные часы «полного Солнца» существенно меньше, чем фактические часы дневного света.В более солнечном климате в среднем 33% солнечного излучения исходит от рассеянного света, но для большинства мест это обычно более 50%. Эквивалентные часы полного Солнца учитывают влияние пасмурного или частично облачного неба.

Определение размеров системы - захват энергии

Требуется большая осторожность при указании размеров солнечных батарей для удовлетворения требований к мощности системы.Использование среднегодовых показателей инсоляции для выбранного местоположения может быть приемлемым, если все, что требуется, - это подключенная к сети система со средней годовой производительностью, но это почти никогда не бывает и, конечно, не относится к автономным системам.

Средние значения могут вводить в заблуждение даже в течение месяца.

В следующей таблице приведены среднемесячные и среднегодовые значения инсоляции в двух местах в Великобритании.

Суточные уровни инсоляции (кВтч / м 2 / день) в местах нахождения в Великобритании

Расположение

Широта

Долгота

Янв

фев

Мар

апр

Май

Июнь

июля

августа

сентябрь

окт

ноя

дек

Среднее

Эдинбург

55 '55 "N

3 "10" Вт

0.44

0,94

1,86

3,18

4,33

4,34

4,13

3,41

2.43

1,2

0,59

0,32

2,26

Лондон

51 '32 "N

0 '5 "W

0.67

1,26

2,22

3,48

4,54

4,51

4,74

4.01

2.86

1,65

0,89

0,52

2,61

Среднемесячный уровень инсоляции на горизонтальной поверхности (кВтч / м 2 / день)

Источник НАСА

Если бы мощность системы была основана на среднегодовом уровне, для большинства практических установок возник бы избыток энергии летом и нехватка зимой.Автономная система должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечивать максимальную нагрузку в зимние месяцы, в противном случае должен быть предусмотрен вспомогательный источник энергии. В этом случае система будет переоценена для летних месяцев, и необходимо будет найти некоторую форму уменьшения мощности или сброса избыточной энергии. Гибридная система, сочетающая энергию ветра и солнца, может быть ответом.

Накопитель электроэнергии

Поскольку в темное время суток питание не подается, автономные системы должны генерировать и хранить достаточно энергии в течение дня, чтобы удовлетворить пиковую дневную нагрузку.Хранения также должно хватить на несколько дней при отсутствии солнечного света. Батареи обычно используются в качестве буфера для обеспечения необходимого хранилища, чтобы гарантировать краткосрочное бесперебойное снабжение, путем накопления излишков энергии в течение дня для использования в ночное время и в периоды пасмурного неба. К сожалению, хранить излишки энергии летом для использования зимой непрактично. См. Альтернативное устройство хранения тепла ниже

Производство солнечной энергии (тепловой)

Производство электроэнергии на гелиотермической установке происходит в два этапа.Сначала улавливается тепловая энергия Солнца и используется для нагрева рабочей жидкости, которая затем используется на втором этапе преобразования энергии для выработки электричества. Обратите внимание, что тепловая энергия исходит от солнечного излучения, а не от воздуха, температура которого обычно намного ниже, чем температура рабочего тела. Фактическая рабочая температура, достигаемая рабочей жидкостью, будет зависеть от скорости, с которой тепловая энергия извлекается рабочей жидкостью (скорость потока) и доставляется в систему производства электроэнергии.

Солнечная тепловая электростанция обычно имеет систему зеркал для концентрации солнечного света на поглотителе, а поглощенная энергия затем используется для питания теплового двигателя, который, в свою очередь, приводит в действие роторный генератор. В крупномасштабных системах тепловой двигатель обычно представляет собой турбину, приводимую в действие паром или другой парообразной рабочей жидкостью. В небольших системах тепловым двигателем может быть двигатель Стирлинга.

Электроэнергетические системы

Крупные солнечные тепловые установки

Система, представленная ниже, предназначена для улавливания тепловой энергии, излучаемой солнцем.

Тепловая энергия Солнца улавливается концентратором, который фокусирует энергию на поглотителе тепла, содержащем рабочую жидкость, обычно синтетическое масло, которое нагревается солнечным излучением до высокой температуры, обычно 400 ° C. В системе может использоваться бинарный цикл, в котором нагретое масло проходит через теплообменник для получения пара, который используется для привода обычной турбины и генератора в отдельном контуре.

Для поддержания теплового КПД турбины рабочему телу, выходящему из теплообменника, нельзя позволять охлаждаться. Поэтому солнечные электростанции дополняются газовыми котлами, которые вырабатывают около четверти всей выходной мощности и поддерживают температуру в течение ночи.

Несколько таких установок в модулях мощностью 80 МВт в настоящее время работают, и эффективность преобразования солнечной энергии составляет от 15% до 23%.Каждый модуль требует около 50 гектаров земли и требует очень точного проектирования и контроля. Стоимость электроэнергии в два-три раза выше, чем у обычных источников.

Накопитель тепловой энергии

Недавно было продемонстрировано использование расплавов солей для улавливания, хранения и выделения солнечной энергии. (См. Альтернативное хранилище). Солнечная тепловая энергия может улавливаться непосредственно расплавом соли, который имеет высокую теплоемкость в «силовой башне», или косвенно в теплообменнике из горячих рабочих жидкостей, циркулирующих через массивы солнечных концентраторов.Подходящая соль, такая как нитрат калия, является жидкой при температуре выше 370 ° C (698 ° F) и действует как вторая рабочая жидкость. Он отдает свое тепло, когда требуется, чтобы вода во втором теплообменнике образовывала пар для привода турбины.

Концентрирующая солнечная тепловая установка Solana в Аризоне, в которой используется хранилище расплавленной соли, может обеспечивать электроэнергию в течение шести часов после захода солнца.

Малые тепловые станции

Паровые турбины подходят только для очень больших установок.Двигатели Стирлинга часто используются в небольших системах для привода электрогенератора.

Солнечный Стирлинг

Бытовые тепловые электростанции обычно используют массив заполненных водой панелей или небольшой набор концентраторов параболического желоба для улавливания тепловой энергии Солнца. Очень маленькая система, такая как та, что используется в космических приложениях, может просто использовать параболическую антенну для захвата энергии.

Затем рабочая жидкость используется в качестве внешнего источника тепла для питания двигателя Стирлинга, который, в свою очередь, приводит в действие роторный генератор.

Автономная солнечная электрическая система вне сети должна иметь батареи, поддерживаемые компонентами Balance-of-System (BOS), включая зарядные устройства, инверторы и контроллеры для управления потоками энергии с целью обеспечения питания по запросу.Это делает систему очень дорогой. Системам, подключенным к сети, также необходимы кондиционеры питания и системы управления, если излишки энергии будут продаваться обратно коммунальной компании.

Эффективность, достигаемая с помощью небольших систем, составляет от 18% до 23%.

Приложения для отопления воды в домах - Краткое отклонение

Многие небольшие домашние солнечные тепловые системы используются только для нагрева воды, а не для выработки электроэнергии.

  • Практические системы
  • Рабочая жидкость - вода, которая циркулирует через установленную на крыше солнечную панель и подается непосредственно в систему горячего водоснабжения. В качестве альтернативы, рабочая жидкость может быть пропущена через теплообменник, состоящий из спиральной трубы в резервуаре для горячей воды, для косвенного нагрева воды.

    Передняя поверхность солнечной панели имеет двойное остекление, позволяющее проходить солнечному излучению и нагревать воду, протекающую через панель, при этом предотвращая потерю тепла более теплой водой из-за конвекции и теплопроводности в противоположном направлении (от панели к более холодная атмосфера).Задняя поверхность панели также изолирована, чтобы предотвратить потерю тепла в этом направлении.

    Система работает в холодную погоду, потому что вода нагревается солнечным излучением, а не окружающим воздухом, от которого она изолирована.

    • Температура воды
    • Элегантное саморегулирующееся решение для поддержания температуры воды обеспечивается за счет включения небольшой дополнительной фотоэлектрической панели (см. Ниже) для выработки электроэнергии, необходимой для питания циркуляционных насосов воды, вместо использования электроэнергии из сети.

      На восходе солнца насос остается выключенным, пока вода не достигнет своей рабочей температуры, после чего насос включается. По мере увеличения солнечного излучения утром температура воды будет расти, но в то же время насос, работающий от солнечной энергии, будет работать быстрее, увеличивая поток воды и, таким образом, быстрее передавая тепло от панели к резервуару для горячей воды. Выбрав соответствующий размер насоса и фотоэлектрической панели, скорость передачи тепла от панели может быть согласована со скоростью поглощения тепла от Солнца, таким образом поддерживая постоянную температуру воды.По мере того, как полученная энергия Солнца уменьшается во второй половине дня, процесс меняется на противоположный, насос работает медленнее, снижая скорость, с которой тепло отводится от панели, таким образом поддерживая ее температуру. Будучи полностью независимыми от электросети, эти системы имеют дополнительные экономические и экологические преимущества, заключающиеся в том, что электрическая энергия не потребляется из сети для работы насосов.

    • Пределы температуры
    • При использовании воды в качестве рабочего тела система склонна к замерзанию и кипению, если не будут приняты специальные меры.Недорогие системы позволяют воде замерзать в очень холодных и темных помещениях за счет использования гибких морозостойких трубопроводов из силиконовой резины, которых достаточно для компенсации расширения воды, когда она превращается в лед. Объем воды, используемой в солнечных тепловых панелях, очень мал, обычно около 2 или 3 литров, и распределяется по очень большой площади для захвата максимальной солнечной радиации. Высокое принимаемое излучение, действующее на небольшой объем воды, позволяет воде нагреваться очень быстро, но по той же причине делает ее восприимчивой к кипению.Если не будет постоянного потока воды в резервуар для хранения с заменой нагретой воды в панели на холодную воду из резервуара, вода может достичь температуры 150 градусов C или более, и по этой причине водяные насосы должны быть постоянно включены. . Даже в этом случае возможность закипания все еще остается, даже при работающем насосе, если система неправильно рассчитана. Достигнутая равновесная температура будет зависеть от баланса между солнечной энергией, захваченной панелью, и тепловой энергией, поглощенной в накопительном баке, скоростью, с которой она отводится из бака, и тепловыми потерями системы.Использование очень маленькой панели, соединенной с очень большим резервуаром с высоким потреблением горячей воды, приведет к низкой температуре воды в резервуаре. И наоборот, использование очень большой панели с очень маленьким резервуаром может привести к кипению, особенно если потребление горячей воды очень мало. Это не должно быть катастрофой, поскольку содержание воды в панели очень низкое, и система может быть спроектирована так, чтобы в случае кипения пар мог выходить.

    • КПД
    • Эффективность преобразования энергии, достигаемая в этих чисто тепловых приложениях, может в три или четыре раза превышать эффективность фотоэлектрических приложений, хотя их применения гораздо более ограничены.

    • Экономика
    • В более высоких широтах доступной солнечной энергии, улавливаемой практическими бытовыми установками, может быть достаточно для обеспечения горячей водой для мытья и принятия душа, но недостаточно для удовлетворения потребностей в отоплении помещений в холодные месяцы. Следовательно, для удовлетворения этих требований потребуются резервные системы отопления для обслуживания базовой нагрузки. Поскольку подача солнечной энергии является прерывистой, обычная система отопления должна заполнять пробелы, и существует небольшая возможность ее уменьшить.Таким образом, домовладельцу, скорее всего, придется оплатить капитальные затраты на систему с базовой нагрузкой, способную обеспечить полную тепловую нагрузку, а также на систему солнечного отопления, даже если обычная система отопления не будет работать на полную мощность большую часть времени.

      Бытовые солнечные тепловые системы могут не вырабатывать электроэнергию напрямую, но они способствуют сокращению использования электроэнергии и связанных с этим затрат.

      • Пример
      • Собранная полезная энергия

        Из приведенной выше таблицы видно, что в Великобритании среднее количество полученной солнечной радиации составляет около 2.5 кВтч / м 2 / сутки. Таким образом, одна солнечная панель площадью 3 M 2 будет улавливать 2,5 x 3 x 365 = 2737 кВт · ч энергии в год. При эффективности преобразования системы около 40% и менее оптимальной ориентации типичной солнечной панели, установленной на крыше, максимальная полезная энергия, получаемая однопанельной системой, будет составлять около 1000 кВтч. Это примерно эквивалентно энергии, получаемой от погружного нагревателя мощностью 3 кВт, используемого в течение одного часа в день. Однако, как всегда, средние значения могут вводить в заблуждение.Летом солнечная панель может выдавать «в среднем» около 5 кВтч тепловой энергии в день, но зимой это может быть всего 0,4 кВтч в день. Улавливаемую энергию, конечно, всегда можно увеличить, увеличив количество солнечных панелей, используемых в системе.

        Экономия затрат

        Экономия затрат будет зависеть от того, заменяет ли солнечная система 1000 кВт-ч тепловой энергии, поставляемой газовой или электрической системой водяного отопления, и от соответствующего тарифа, взимаемого за энергию.С учетом того, что внутренний газ в Великобритании в настоящее время стоит менее 0,03 фунта стерлингов за кВтч (0,045 доллара США), а электроэнергия стоит около 0,10 фунта стерлингов за кВтч (0,15 доллара США), годовая экономия, вероятно, составит от 30 до 100 фунтов стерлингов (от 50 до 150 долларов США).

        Поскольку типичная однопанельная установка стоит около 2500 или 3000 фунтов стерлингов (от 4000 до 5000 долларов США), если системы не подпадают под государственную субсидию или не происходит очень большого увеличения затрат на электроэнергию, время окупаемости инвестиций будет измеряться скорее десятилетиями. чем лет.Спасти планету может быть довольно дорого.

        Углеродный след

        Как и в случае с ветроэнергетикой, если инвестиции не проходят общепринятые экономические тесты, понятие углеродного следа часто используется для оправдания расходов, исходя из потенциала сокращения количества парниковых газов, выбрасываемых альтернативными методами производства электроэнергии.

        См. Также Экономику отечественной солнечной фотоэлектрической системы ниже.

Производство солнечной энергии (гальваническое)

Производство солнечной энергии - это прямое преобразование солнечной энергии в электричество.

Солнечный свет бывает разных цветов, сочетая в себе инфракрасные фотоны с низкой энергией (1,1 электронвольт (эВ)) с ультрафиолетовыми фотонами с высокой энергией (3,5 эВ) и всю радугу фотонов видимого света между ними.Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими или фотоэлектрическими элементами, представляют собой полупроводниковые устройства, предназначенные для захвата этих фотонов и преобразования их энергии непосредственно в электрическую.

Как работают солнечные элементы

Когда фотон с достаточной энергией сталкивается с полупроводником, он может передать достаточно энергии электрону, чтобы освободить его от связей валентной зоны полупроводника, чтобы он мог свободно перемещаться и, таким образом, переносить электрический ток.Переход в полупроводниковом диоде создает необходимое электрическое поле, чтобы заставить ток течь во внешней цепи.

Более подробное объяснение того, как работают солнечные элементы, дано в разделе о фотоэлектрических диодах.

Эффективность преобразования

Типичное выходное напряжение фотоэлемента составляет от 0,5 до 0,6 В, а эффективность преобразования энергии колеблется от менее 10% до более 20%.Таким образом, массив ячеек может генерировать около 200 Вт электроэнергии на квадратный метр при освещении солнечным излучением мощностью 1000 Вт на квадратный метр. Соответствующая плотность тока будет около 400 Ампер / м 2 . Из-за климатических условий интенсивность инсоляции редко достигает 1000 Вт / м 2 .

Практические ячейки также намного меньше одного квадратного метра, а фактические размеры имеющихся в продаже ячеек колеблются от одного квадратного сантиметра до 15 квадратных сантиметров.Соответствующая выходная мощность для этих ячеек составляет от 20 милливатт до примерно 4 Вт.

Солнечные фотоэлектрические системы являются одними из наименее эффективных способов выработки электроэнергии (см. Сравнительную таблицу эффективности), но эта низкая производительность связана не только с низкой эффективностью преобразования фотоэлектрических элементов, которая с каждым годом улучшается благодаря постоянным исследованиям и разработкам. В основном это происходит из-за отсутствия доступного солнечного света, и никакие исследования и разработки не могут это исправить.

Эффективность преобразования фотоэлектрической энергии, равная 15%, может показаться очень низкой, но она находится на одном уровне с эффективностью преобразования энергии, используемой для привода автомобиля с бензиновым / бензиновым двигателем, «из скважины в колесо».

Характеристики фотоэлементов и модулей

  • Стандартные условия испытаний (STC )
  • Для того, чтобы сравнить солнечные элементы на подобной основе, был определен набор стандартных условий испытаний (STC).

    Условия: нормальная освещенность 1000 Вт / м 2 , температура ячейки 25 ° C (77 ° F) и масса воздуха = 1,5

  • Масса воздуха
  • Приемная поверхность, соответствующая AM 1.5, определяется как наклонная плоскость под углом 37 ° (средняя широта в США) к экватору, обращенная к солнцу. В этом случае нормаль к поверхности указывает на Солнце на высоте 48,81 °, его зенитный угол, над горизонтом.

  • Номинальная мощность
  • Номинальная мощность определяется как максимальная мощность (Вт или кВт), генерируемая элементом или модулем в стандартных условиях испытаний.

Альтернативный рейтинг фотоэлементов

Условия лабораторных испытаний STC не являются полностью репрезентативными для типичных условий эксплуатации на открытом воздухе, и по этой причине был разработан более реалистичный набор условий испытаний, NOCT, .

  • Нормальная рабочая температура ячейки (NOCT )
  • Нормальная освещенность 800 Вт / м 2 , температура воздуха 20 ° C (68 ° F), скорость ветра (охлаждение) 1 метр в секунду (2,24 мили в час), с задней стороной солнечной панели, открытой для воздушный поток.

  • Масса воздуха и Номинальная мощность аналогично STC

Интерпретация и применение рейтингов STC и NOCT .

Ниже приводится пример ключевых данных, взятых из спецификации известного производителя для солнечной панели мощностью 250 Вт.

  • Предоставлена ​​информация:

    Рейтинг STC 250 Вт

    NOCT raring 183,3 Wp

    Размеры ячейки 156 мм X 156 мм

    Количество ячеек 60

  • Нет упоминания о районе

    Без упоминания об эффективности преобразования

  • Что это означает на практике
    • Рейтинги STC и NOCT - это выходная мощность, достигаемая в условиях испытаний.
    • Условия испытаний предназначены для представления максимальной солнечной энергии, которая может быть получена в идеальных условиях.
    • На практике вы никогда не достигнете такой мощности при солнечном свете
      • Рейтинги STC и NOCT предполагают постоянный высокий уровень освещенности (1000 Вт / м 2 или 800 Вт / м 2 ). Это просто разные стандартные уровни входной мощности, используемые для испытаний, поэтому любая ячейка обычно будет генерировать большую выходную мощность в условиях STC по сравнению с условиями NOTC.
      • За пределами тропиков освещенность от Солнца на уровне земли на типичных солнечных батареях редко даже приближается к этим тестовым уровням.
      • Инсоляция, которая представляет собой средний эффект солнечного излучения с учетом часовых, суточных и сезонных колебаний, а также широты и местных климатических условий, будет намного ниже, чем испытательная освещенность. Карты NREL на странице Going Solar показывают ожидаемые региональные уровни инсоляции.Следствием этого является то, что средняя солнечная энергия, улавливаемая панелями, будет очень маленькой, и соответствующая выходная электрическая энергия панелей также будет очень маленькой.
      • Фактическая уловленная солнечная энергия также зависит от конфигурации солнечных панелей и от того, могут ли они отслеживать Солнце во время его движения по небу.
    • Какая будет средняя выходная электрическая мощность вышеуказанной солнечной панели «250 Вт»?
    • Это зависит от расположения и типа солнечной батареи, а также от эффективности преобразования солнечных фотоэлементов.Предполагая, что фиксированная солнечная батарея расположена на северо-востоке США, обращена на юг и наклонена к Солнцу под углом, соответствующим широте места, карта NREL показывает, что инсоляция составляет около 4 кВтч / м 2 / день . На более солнечном Юго-Западе инсоляция будет примерно на 50% больше при 6 кВтч / м 2 / день, что напрямую приведет к увеличению выходной электрической мощности на 50% от тех же солнечных панелей.

      Солнечная панель на 60 ячеек имеет эффективную площадь 60 X 0.156 м 2 = 1,46 м 2

      Таким образом, на северо-востоке эта панель будет перехватывать 1,46 X 4 = 5,84 кВт · ч солнечной энергии в день.

      Эта инсоляция эквивалентна постоянной (средней) солнечной мощности 5840/24 = 243,3 Вт в течение 24-часового дня.

      Эффективность преобразования солнечных элементов рассчитывается на основе указанной производителем выходной электрической мощности, полученной от указанной потребляемой мощности NOCT.

      Энергия, перехватываемая панелью 1,46 м 2 в условиях NOCT, будет 1,46 X 800 = 1168 Вт

      Установленная электрическая выходная мощность панели 183,3 Вт

      Таким образом, эффективность преобразования = 183,3 / 1168 X100 = 15,7%

      Применение этой эффективности преобразования к фактической инсоляции 243,3 Вт дает среднюю выходную электрическую мощность с панели 243.3 X 0,157 = 38,2 Вт (соответствует электрической мощности 26,2 Вт / м 2 )

      Неплохо для солнечной панели на 250 Вт ?!

Рабочие характеристики солнечной батареи

На приведенном ниже графике показано, что при постоянной освещенности выходное напряжение ячейки или массива ячеек падает, поскольку от них требуется подавать больший ток.

Максимальная подача мощности происходит, когда напряжение упало примерно до 80% напряжения холостого хода.

Коэффициент заполнения (FF) определяется как отношение между мощностью в точке максимальной мощности и произведением напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Обычно для солнечных батарей хорошего качества он лучше 75%.

Ток короткого замыкания (SC) напрямую связан с количеством фотонов, поглощаемых полупроводниковым материалом, и, таким образом, пропорционален интенсивности света.

Таким образом, эффективность преобразования достаточно постоянна, так что выходная мощность пропорциональна освещенности вплоть до довольно низких уровней, однако эффективность снижается, если температуре ячейки позволяют повышаться.

Напряжение холостого хода (OC) незначительно меняется в зависимости от силы света.

При повышении температуры ширина запрещенной зоны собственного полупроводника сжимается, и напряжение холостого хода (Voc) уменьшается.

В то же время более низкая запрещенная зона позволяет поглощать больше падающей энергии, потому что больший процент падающего света имеет достаточно энергии для подъема носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости.Увеличивается фототок. Однако при повышении температуры внутреннее сопротивление материала увеличивается, а электрическая проводимость уменьшается.

Таким образом, увеличение тока при заданном повышении температуры пропорционально ниже, чем уменьшение напряжения. Следовательно, эффективность ячейки снижается.

Эффективность солнечного элемента

На следующих графиках показана та же информация, что и на приведенных выше, но в несколько иной форме, показывающей, как повышение температуры снижает эффективность.

Как правило, выходная мощность фотоэлементов снижается примерно на 0,5% с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.

В реальных наружных условиях номинальная пиковая мощность Wp достигается редко, поскольку температура модуля обычно находится в диапазоне от 40 ° C до 60 ° C. Эффективность можно повысить за счет охлаждения элементов, и некоторые системы были разработаны с учетом использования тепла, поглощаемого охлаждающей жидкостью, в системах солнечного отопления.

ПРИМЕЧАНИЕ: жаркий солнечный день - палка о двух концах для фотоэлемента. Несмотря на то, что эффективность преобразования снижается по мере нагрева элемента, общая собранная мощность может возрасти из-за увеличения солнечного света на элементе.

Типы солнечных элементов

Несколько типов солнечных элементов были разработаны с целью снижения затрат и повышения эффективности.

  • Кристаллические кремниевые солнечные элементы
  • Благодаря производственному опыту полупроводниковой промышленности кристаллический кремний является ведущим материалом для солнечных элементов, хотя и относительно дорогим. Монокристаллические элементы вырезаются из монокристаллов кремния высокой чистоты, пригодного для электроники. Эффективность этих ячеек в лучшем случае составляет около 25 процентов. При использовании более легкого в производстве поликристаллического кремния, вырезанного из блока кристаллов или менее чистого, так называемого кремния «солнечного качества», эффективность может составлять всего около 15% или 16% из-за влияния границ зерен или примесей, но они стоят незначительно. монокристаллических ячеек для электроники.

  • Солнечные элементы из аморфного кремния
  • Аморфный кремний

    уже много лет используется в производстве солнечных элементов, используемых для питания электронных калькуляторов и часов, и обещает возможность создания недорогих элементов с более высокой мощностью. Аморфный материал выглядит как твердое тело, но не имеет регулярной структуры кристаллической решетки. Стекло - пример таких материалов. Присутствие контролируемых количеств определенных «примесных» элементов, таких как водород, и беспорядочное формирование кристаллической решетки на самом деле увеличивает в остальном очень низкую эффективность преобразования.Типичный КПД ячейки составляет от 5% до 10%.

    Производственная мощность по-прежнему является проблемой, и клетки разрушаются под воздействием солнца.

  • Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы
  • Тонкопленочные элементы изготавливаются путем нанесения активного фотоэлектрического материала, такого как аморфный кремний или другой полупроводник, на стекло или другую подложку вместе с необходимыми токосъемными контактами. Конструкция ячейки намного дешевле, чем использование полупроводниковых пластин, и процесс производства также проще, а также подходит для изготовления элементов с гораздо большей площадью и, следовательно, способностью выдерживать ток.Эта конструкция обеспечивает КПД от 11% до 14%.

    Фотоэлектрические системы

    на гибких полимерных подложках также были изготовлены с использованием активного материала селенида меди, индия, галлия (CIGS) с эффективностью 10%.

  • Органические фотоэлектрические солнечные элементы
  • Различные группы проводят интенсивные исследования по использованию органических полупроводников в конструкции фотоэлементов. Устройства могут быть изготовлены посредством процесса печати из однослойных или двухслойных пленок из органического полимера, помещенных между парой электродов.Производство не связано с высоким потреблением энергии, связанным с кристаллическими полупроводниками, и дает возможность печатать большие объемы недорогой продукции на гибких пленках. В настоящее время эффективность преобразования довольно низкая - около 12%. но ожидается, что это улучшится.

  • Многослойные (тандемные) солнечные элементы
  • Повышение эффективности преобразования возможно за счет использования нескольких слоев из разных полупроводниковых материалов, оптимизированных для разных длин волн, в одном устройстве.Это может повысить теоретический предел эффективности, который в настоящее время составляет около 30% для устройства с одним переходом, до около 45% для элемента с тремя переходами.

    Практические устройства уже достигли КПД более 33%.

  • Экзотические материалы
  • Такие материалы, как арсенид галлия, диселенид меди, индия, теллурид кадмия и нитрид индия, были использованы для обеспечения определенных характеристик для оптимизации солнечных элементов для конкретных применений.

    Арсенид галлия используется в военных и аэрокосмических приложениях в различных ячейках в сочетании с другими элементами из-за его пригодности для улавливания фотонов высокой энергии (ультрафиолетовое излучение), высокой эффективности преобразования потенциала и его способности выдерживать высокие температуры. Однако его труднее производить, и элементы, использующие арсенид галлия, могут быть в 100 раз дороже, чем коммерческие элементы на основе кремния.

    Диселенид меди, индия и теллурид кадмия используются в поликристаллической форме в недорогих тонкопленочных элементах из-за простоты их изготовления и приемлемого выхода.Однако эффективность низкая - от 8% до 14%

    Нитрид индия подходит для улавливания фотонов низкой энергии (инфракрасное излучение), что делает его пригодным для устройств полного спектра при использовании в тандемных солнечных элементах в сочетании с другими материалами, такими как арсенид галлия, которые улавливают фотоны высокой энергии.

  • Электрохимические солнечные элементы - сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC или элементы Гретцеля)
  • Относительно новые, эти элементы представляют собой недорогие устройства, в которых для генерации тока используется сенсибилизированный красителем диоксид титана в сочетании с жидким электролитом.До сих пор они доступны только в небольших размерах с эффективностью от 7% до 10%.

Солнечные фотоэлектрические коллекторы

Солнечные элементы обычно продаются в виде модулей, состоящих из ряда ячеек, расположенных последовательно и / или параллельно, чтобы обеспечить удобные или обычно используемые значения напряжения и мощности.

Солнечные батареи

Модули

могут быть соединены между собой аналогичным образом для создания массивов большего размера с желаемыми пиковыми значениями постоянного напряжения и тока.

Концентраторы

Как и в случае с тепловыми коллекторами, возможна концентрация падающей энергии на меньшей поверхности. Для очень маленьких применений используются оптические зеркала и линзы.

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT)

Источник питания передает свою максимальную мощность на нагрузку, когда нагрузка имеет такое же полное сопротивление, что и внутреннее сопротивление источника питания.(Закон Якоби). К сожалению, аккумуляторы далеки от идеальной нагрузки для солнечной батареи, и несоответствие приводит к серьезным потерям эффективности.

Типичный фотоэлектрический массив, предназначенный для зарядки 12-вольтных батарей, обеспечивает максимальную мощность при рабочем напряжении около 17 вольт. Свинцово-кислотные батареи обычно заряжаются до 14 вольт, хотя напряжение быстро падает до 12 вольт, когда они начинают подавать ток, и еще ниже по мере увеличения глубины разряда (DOD).
В простейшей форме зарядка осуществляется путем подключения фотоэлектрической батареи непосредственно к батарее.Однако батарея сама по себе является источником питания и представляет собой напряжение, противоположное солнечной батарее. Это понижает рабочее напряжение массива до напряжения разряженной батареи, и это далеко от оптимальной рабочей точки массива.


На приведенной ниже диаграмме показаны характеристики фотоэлектрической батареи 17 В, 4,4 А, 75 Вт, используемой для подзарядки 12-вольтной батареи. Если фактическое напряжение батареи составляет 12 Вольт, результирующий ток будет только около 2.5 ампер, и мощность, выдаваемая массивом, будет чуть более 50 Вт вместо указанных 75 Вт: потеря эффективности более 30%.
Отслеживание точки максимальной мощности предназначено для решения этой проблемы.

Модуль отслеживания мощности - это форма регулятора напряжения, которая размещается между фотоэлектрической панелью и батареей.Он представляет собой идеальную нагрузку для фотоэлектрической батареи, позволяя ей работать при оптимальном напряжении, в данном случае 17 В, обеспечивая полную мощность в 75 Вт независимо от напряжения батареи. Преобразователь постоянного / постоянного тока в модуле автоматически регулирует выход постоянного тока из модуля в соответствии с напряжением батареи 12 вольт.
При понижении напряжения в преобразователе постоянного тока в постоянный ток будет повышаться в том же соотношении. Таким образом, зарядный ток будет 17/12 X 4,4 = 6,2 А, и, при условии отсутствия потерь в модуле, мощность, подаваемая на батарею, будет 12 X 6.23 = полные 75 Вт, генерируемые массивом PV.
На практике потери преобразователя могут достигать 10%. Тем не менее возможно существенное повышение эффективности.

Однако этого недостаточно, чтобы согласовать напряжение в указанной точке максимальной мощности (MPP) фотоэлектрической матрицы с изменяющимся напряжением батареи по мере ее зарядки. Из-за изменений интенсивности излучения, падающего на решетку в течение дня, а также из-за изменений температуры окружающей среды, рабочая характеристика фотоэлектрической батареи постоянно изменяется, а вместе с ней изменяется и MPP фотоэлектрической батареи.Таким образом, у нас есть движущаяся точка отсчета и движущаяся цель. Для оптимальной передачи мощности системе необходимо отслеживать MPP при изменении интенсивности солнечного излучения и температуры окружающей среды, чтобы обеспечить динамическую опорную точку для регулятора напряжения.


Высокопроизводительные модули MPPT могут включать программные алгоритмы, учитывающие изменения солнечного света и температуры. Типичная работа для нечеткой логики или нейронной сети.В качестве альтернативы оптимизация может выполняться аппаратно с помощью сигнала возмущения, включенного в контур обратной связи, который переводит рабочую точку системы в точку MPP.

На фотоэлектрическое напряжение накладывается небольшое напряжение дизеринга, и его влияние на выходной ток регулятора, питающего батарею, контролируется. Если ток, потребляемый батареей, увеличивается при увеличении напряжения дизеринга, то рабочая точка сместилась в сторону MPP и, следовательно, рабочее напряжение должно увеличиваться в том же направлении.С другой стороны, если ток в батарее уменьшается, то рабочая точка сместилась от MPP, и рабочее напряжение должно быть уменьшено, чтобы вернуть его.

Крупномасштабные фотоэлектрические установки

По всему миру построено несколько крупных фотоэлектрических электростанций, подключенных к сети, в основном мощностью от 300 до 500 кВт, но некоторые из них достигают 300 МВт или более. До настоящего времени развертывание крупномасштабных установок ограничивалось экспериментальными установками из-за высокой стоимости солнечных панелей.При типичном КПД около 15% для электростанции мощностью 500 кВт потребуется около 20 000 квадратных метров фотоэлектрических панелей по цене около 1 доллара США за ватт, а также крупномасштабные инверторы, способные обеспечить полную выходную мощность системы. См. Пример солнечной фотоэлектрической системы сетевого масштаба.

Малые фотоэлектрические установки и бытовые применения

На диаграмме ниже показаны основные строительные блоки небольшой автономной автономной фотоэлектрической генерирующей системы.Система, подключенная к сети, не будет нуждаться в батарее и системе отслеживания мощности MPPT. Тем не менее, им нужны альтернативные мощности, чтобы побывать в потоке, чтобы нести груз в темное время суток.

Расчет параметров фотоэлектрической системы

  • Размеры массива для фотоэлектрической системы
  • В следующем примере показаны размеры массива, необходимые для выработки 10 кВтч полезной энергии при средней дневной инсоляции 2 кВтч / м. 2 / день.Обратите внимание, что результаты сильно зависят от используемых предположений эффективности.

    Излишне говорить, что массив не должен затеняться такими объектами, как деревья или здания.

    • Пример
    • Энергия, полученная на единицу площади = Инсоляция X Эффективность преобразования солнечной энергии.

      Таким образом:

      Площадь, необходимая для данного захвата энергии = Требуемая энергия ÷ (Инсоляция в желаемом месте X эффективность преобразования солнечной энергии)

      При использовании эффективного (дорогого) фотоэлектрического массива с эффективностью преобразования 15% площадь массива будет:

      10 ÷ (2 X 0.15) = 33,3 м 2

      Данные об инсоляции обычно предоставляются для энергии, падающей на плоскую поверхность. Наклоняя решетку под углом, соответствующим широте местоположения, можно получить дополнительные 10% энергии, уменьшив требуемую площадь до 30 м 2 . См. Диаграмму, показывающую ориентацию массива

      .

      Однако это преимущество будет потеряно, если массив будет установлен на крыше, которая не оптимально выровнена по направлению к Солнцу.

      Если массив свободно стоит на земле и не ограничен для использования на крыше, можно использовать систему слежения за солнцем, чтобы улавливать больше солнечной энергии.Возможно улучшение на 30%, уменьшив требуемую площадь массива примерно до 21 м 2

      Обратите внимание, что на выходе фотоэлектрической матрицы используется электрическая мощность постоянного тока.

      Для обеспечения питания переменным током в регуляторе напряжения, инверторе и цепях управления будут дополнительные электрические потери от 10% до 20%.

      • Системы, подключенные к сети
      • Предполагая, что потери в электрической системе составляют 20%, потребуется фиксированная фотоэлектрическая батарея площадью около 36 м 2 или солнечная фотоэлектрическая батарея с отслеживанием 25 м 2 для обеспечения 10 кВтч электроэнергии переменного тока в день.

      • Автономные системы
      • Системы

        , работающие вне сети, имеют те же параметры производительности, что и системы, подключенные к сети, однако, поскольку они также используют аккумуляторную батарею, они страдают от дополнительной потери эффективности до 30% из-за обратной ЭДС батареи.

        Если для уменьшения этих потерь не используется система отслеживания MPPT, массив должен быть на 30% больше для компенсации. Таким образом, чтобы обеспечить те же 10 кВтч электроэнергии переменного тока в день в автономной системе, требуемая площадь фотоэлектрической панели должна составлять 47 м 2 для стационарной установки и 33 м 2 для системы слежения за солнечными батареями.

      Потребление электроэнергии во многих домохозяйствах в Европе и США в 2 или 3 раза превышает 10 кВтч в день, особенно для тех, кто желает инвестировать в производство электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем. (См. Таблицу энергопотребления). Это означает, что для удовлетворения их потребностей в энергии потребуются очень большие фотоэлектрические батареи с площадью до 150 м 2 или более, возможно, больше, чем имеющаяся поверхность крыши, обращенная на юг.

      Все вышеперечисленное основано на средней инсоляции 2 кВтч / м. 2 / день, но в северных зонах умеренного климата зимняя инсоляция, вероятно, будет менее четверти среднего значения для данной местности.См. Таблицу доступности и захвата энергии выше. Таким образом, доступная энергия будет только 2,5 кВтч / день в зимние месяцы, или системы должны быть в четыре раза больше, чтобы обеспечивать те же 10 кВтч / день электроэнергии зимой.

    Экономика отечественной солнечной фотоэлектрической системы

    Пример

    • Затраты
    • По данным Фонда энергосбережения правительства Великобритании, затраты на установку солнечной фотоэлектрической системы сильно различаются.Средняя бытовая система довольно мала, вырабатывая около 2,2 кВт и стоит около 12 000 фунтов стерлингов (18 000 долларов США). Более крупные солнечные системы электроснабжения могут стоить от 4500 фунтов стерлингов (7000 долларов США) до 8000 фунтов стерлингов (12000 долларов США) за кВт / ч, немного снижаясь по мере увеличения размера системы.

    • Льготы
    • Система мощностью 2,2 кВтп выдает полную мощность 2,2 кВт только при стандартных условиях испытаний 1000 Вт / м. 2 инсоляция. Он будет вырабатывать 52,8 кВтч (52,8 единиц) электроэнергии в день, если бы Солнце находилось прямо над головой и постоянно светило днем ​​и ночью.Но приведенная выше таблица показывает, что средняя инсоляция в Великобритании составляет всего около 2,5 кВтч / м 2 / день. Это эквивалентно 2,5 часам полного Солнца (см. EHS выше) в сутки, а не 24 часам. Таким образом, фактическая выработка электроэнергии из фотоэлектрической системы в Великобритании составит около 5,5 кВтч в день или 2000 кВтч в год.

    • Окупаемость
    • Покупка 2000 кВт / ч электроэнергии у местной коммунальной компании будет стоить 200 фунтов стерлингов (300 долларов США), при текущих затратах на электроэнергию 0 фунтов стерлингов.10 (0,15 $) за единицу. Без учета затрат на техническое обслуживание это дает срок окупаемости в шестьдесят лет.

      К счастью, многие правительства предоставляют щедрые субсидии для субсидирования установки и / или эксплуатации систем солнечной энергии, таким образом сокращая капитальные затраты и сокращая время окупаемости инвестиций.

    • Продажа излишков энергии обратно коммунальной компании
    • Среднее домашнее хозяйство в Великобритании потребляет около 5 000 кВтч электроэнергии в год или около 14 единиц в день.Вероятность того, что домашняя установка, как описано выше, будет иметь регулярные излишки, весьма мала.

      Кроме того, подача электроэнергии обратно в сеть включает обязательную установку дополнительных дорогостоящих систем измерения и безопасности, а также электроники синхронизации, так что этот вариант экономически оправдан только для установок с относительно большими излишками.

    Остерегайтесь, когда к вам стучится продавец солнечных батарей!

    См. Также экономику и практичность сетевых солнечных фотоэлектрических систем

    См. Также Домашнее солнечное отопление и сравнение затрат на производство электроэнергии для различных видов топлива.

  • Баланс компонентов системы (BOS)
  • Связанные компоненты BOS, необходимые для завершения системы, описаны в разделе «Маломасштабные системы».

  • Другие аспекты фотоэлектрической системы
  • Преобразование постоянного тока на выходе фотоэлектрической матрицы в переменный ток дорого и неэффективно.Некоторых из этих затрат и потерь можно избежать, если использовать бытовую технику, рассчитанную на питание от постоянного тока, где она доступна.

    Точно так же нецелесообразно запускать нагреватели от фотоэлектрических систем.

Солнечная энергия может быть бесплатной, но преобразование ее в электрическую - нет.

См. Также Электромагнитное излучение

См. Также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения

Производство электроэнергии - Источник энергии

Публикация данных мониторинга выбросов электростанции Eraring в соответствии с разделом 66 Закона штата Новый Южный Уэльс о защите окружающей среды.План управления реагированием на инциденты, связанные с загрязнением окружающей среды Eraring (PDF 155kB), соответствует требованиям AS / NZS ISO 14001: 2015.

Eraring Power Station (EPS) эксплуатирует и поддерживает Систему экологического менеджмента (EMS) в соответствии со стандартом ISO14001, который поддерживает постоянное совершенствование операций EPS. EPS обеспечивает управление окружающей средой с помощью своих обязательств по охране окружающей среды (PDF 350 kB).

2020

данные EPA ноябрь (25 страниц)
данные EPA октябрь (25 страниц)
данные EPA сентябрь (25 страниц)
данные EPA август (21 страница)
данные EPA июль (23 страницы)
данные EPA июнь (17 страниц)
EPA данные май (17 страниц)
данные EPA апрель (18 страниц)
данные EPA март (17 страниц)
данные EPA февраль (17 страниц)
данные EPA январь (18 страниц)

2019

данные EPA декабрь (17 страниц)
данные EPA ноябрь (17 страниц)
данные EPA октябрь (18 страниц)
данные EPA сентябрь (17 страниц)
данные EPA август (17 страниц)
данные EPA июль (19 страниц)
EPA данные за июнь (17 страниц)
данные EPA май (17 страниц)
данные EPA апрель (18 страниц)
данные EPA март (17 страниц)
данные EPA февраль (17 страниц)
данные EPA январь (18 страниц)

2018

данные EPA декабрь (18 страниц)
данные EPA ноябрь (17 страниц)
данные EPA октябрь (17 страниц)
данные EPA сентябрь (17 страниц)
данные EPA август (17 страниц)
данные EPA июль (17 страниц)
EPA данные за июнь (17 страниц)
данные EPA май (15 страниц)
данные EPA апрель (15 страниц)
данные EPA март (17 страниц)
данные EPA февраль (15 страниц)
данные EPA январь (15 страниц)

2017

данные EPA декабрь (17 страниц)
данные EPA ноябрь (15 страниц)
данные EPA октябрь (15 страниц)
данные EPA сентябрь (17 страниц)
данные EPA август (15 страниц)
данные EPA июль (16 страниц)
EPA данные июнь (18 страниц)
данные EPA май (15 страниц)
данные EPA апрель (15 страниц)
данные EPA март (17 страниц)
данные EPA февраль (15 страниц)
данные EPA январь (16 страниц)

2016

данные EPA декабрь (15 страниц)
данные EPA ноябрь (15 страниц)
данные EPA октябрь (16 страниц)
данные EPA сентябрь (15 страниц)
данные EPA август (15 страниц)
данные EPA июль (16 страниц)
EPA данные июнь (15 страниц)
данные EPA май (15 страниц)
данные EPA март (15 страниц)
данные EPA февраль (15 страниц)
данные EPA январь (16 страниц)

2015

данные EPA декабрь (15 страниц)
данные EPA ноябрь (15 страниц)
данные EPA октябрь (12 страниц)
данные EPA сентябрь (15 страниц)
данные EPA август (15 страниц)
данные EPA июль (15 страниц)
EPA данные июнь (15 страниц)
данные EPA май (15 страниц)
данные EPA апрель (15 страниц)
данные EPA март (15 страниц)
данные EPA февраль (15 страниц)
данные EPA январь (16 страниц)

2014

данные EPA декабрь (15 страниц)
данные EPA ноябрь (15 страниц)
данные EPA октябрь (16 страниц)
данные EPA сентябрь (15 страниц)
данные EPA август (15 страниц)
данные EPA июль (16 страниц)
EPA данные июнь (15 страниц)
данные EPA май (15 страниц)
данные EPA апрель (16 страниц)
данные EPA март (15 страниц)
данные EPA февраль (15 страниц)
данные EPA январь (16 страниц)

2013

данные EPA декабрь (17 страниц)
данные EPA ноябрь (17 страниц)
данные EPA октябрь (18 страниц)
данные EPA сентябрь (17 страниц)
данные EPA август (17 страниц)
данные EPA июль (14 страниц)
EPA данные за июнь (14 страниц)
данные EPA май (14 страниц)
данные EPA апрель (13 страниц)
данные EPA март (13 страниц)
данные EPA февраль (10 страниц)
данные EPA январь (10 страниц)

2012

данные EPA декабрь (10 страниц)
данные EPA ноябрь (11 страниц)
данные EPA октябрь (11 страниц)
данные EPA сентябрь (8 страниц)
данные EPA август (10 страниц)
данные EPA июль (7 страниц)
EPA данные июнь (10 страниц)
данные EPA май (9 страниц)
данные EPA апрель (9 страниц)

Производство энергии - Energuide

  • Что такое ТЭЦ или комбинированная теплоэнергетическая система?

    Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) вырабатывает электроэнергию и тепло из одного топлива (например,г. натуральный газ). Система обладает целым рядом преимуществ. Технология была разработана для обслуживания больших зданий, таких как больницы. Однако сегодня его можно использовать и в частных домах.

  • Ваш собственный ветряк - хорошая альтернатива солнечным батареям?

    Нет. В Бельгии, и в частности в Брюсселе, лучше производить возобновляемую электроэнергию с помощью солнечных батарей, чем вкладывать средства в ветряную турбину.

  • Что такое солнечная панель и как она работает?

    Солнечные панели позволяют преобразовывать свет напрямую в электричество. Это делает конвертер. Ожидаемая мощность зависит от электрической мощности и ориентации панелей.

  • В чем разница между богатым и бедным газом? Влияет ли это на мой счет?

    Разница между богатым и бедным газом заключается в их теплотворной способности, т.е.е. другое количество энергии. Однако эта разница не влияет на ваш счет.

  • Что такое солнечный водонагреватель?

    Это система, которая улавливает солнечный свет, преобразует его в тепло и использует его для подогрева воды в ваших трубах.

  • Кому я могу продать свои сертификаты зеленой энергии?

    Вы можете продать свои зеленые сертификаты по рыночной цене поставщику энергии или посреднику.

  • Откуда берутся электричество и газ, используемые в Бельгии?

    Газ, который мы используем в Бельгии, импортируется из-за границы. Электроэнергия вырабатывается в Бельгии и в соседних странах на различных типах электростанций.

  • На сколько зеленых сертификатов я имею право?

    Частное лицо, производящее зеленую электроэнергию, по умолчанию получает один зеленый сертификат на 1000 кВтч в течение 10 лет с даты сертификации своей установки.В Брюсселе коэффициент умножения дает потребителям право на получение дополнительных зеленых сертификатов.

  • Что такое умный счетчик?

    Интеллектуальный счетчик или интеллектуальный счетчик - это электронный счетчик, способный записывать и передавать данные о потребляемой мощности. Умные счетчики будут постепенно внедряться в Брюсселе.

  • Что такое микросети?

    Микросети - это системы распределения энергии, которые включают лишь небольшую группу соединений.Они могут работать независимо или подключаться к большей сети.

  • «Зеленое» электричество действительно зеленое?

    Электричество одинаково для каждого дома в Бельгии. Но если вы выбираете контракт на экологически чистую электроэнергию, ваш поставщик обязуется производить или покупать количество электроэнергии, эквивалентное вашему потреблению, произведенному с использованием возобновляемых источников.

  • Как мне инвестировать в производство зеленой энергии?

    Есть три возможности: покупка зеленой энергии, владение акциями зеленого производителя или ее самостоятельное производство.

  • Как организован энергетический рынок?

    На либерализованном рынке энергии вы в основном контактируете с двумя игроками: поставщиком и оператором системы распределения. Однако, наряду с этими двумя основными сторонами, другие компании или органы также вносят свой вклад в поставку энергии и обеспечение бесперебойной работы рынка.

  • Что такое сланцевый газ и что такое гидроразрыв пласта?

    Мы много слышим о сланцевом газе и гидроразрыве пласта, но что это такое? Опасна ли добыча сланцевого газа для окружающей среды?

  • Выгодна ли коллективная закупка энергии?

    Ставки, которые вы получаете за счет коллективных закупок энергии, систематически не являются более выгодными с финансовой точки зрения, чем те, которые вы могли бы получить сами, связавшись напрямую с поставщиком.Однако в некоторых случаях они все же приносят прибыль.

  • Что такое коллективное самопотребление?

    Почему бы не выкупить излишки солнечной энергии, произведенной вашими соседями? Это концепция коллективного самопотребления.

  • Почему необходимо перейти с бедного газа на богатый?

    Наши голландские соседи решили прекратить добычу тощего газа.В Брюсселе переход на обогащенный газ будет происходить в течение трех лет, с 2020 по 2022 год.

  • Как просто сэкономить много энергии дома?

    Когда вы больше дома, вы также потребляете больше энергии. Несколько простых советов по экономии сразу же повлияют на ваш счет за электроэнергию.

  • Почему стоит выбрать тепловой насос, работающий на природном газе?

    Тепловой насос, работающий на природном газе, утилизирует тепло, выделяемое в процессе сгорания.Это означает, что этот прибор обеспечивает повышенную тепловую эффективность, превосходящую его электрический аналог, и он хорошо подходит для замены отопительного котла.

  • Придут ли умные счетчики в Брюссель?

    В Брюсселе внедрение интеллектуального счетчика организует компания Sibelga, оператор распределительных сетей электроэнергии и газа.

  • Какие условия необходимо выполнить для получения зеленых сертификатов?

    Ваша установка должна соответствовать техническим и нормативным условиям, чтобы вы могли получить зеленые сертификаты.

  • Должен ли я платить за пользование распределительной сетью, если я вырабатываю электроэнергию?

    Эта мера не применяется в Брюсселе. Меньшее количество солнечных панелей здесь означает, что в столице ситуация иная. Конечно, это может измениться, и Брюссель может пойти по стопам Фландрии.

  • Что мне делать, если моя фотоэлектрическая установка регулярно отключается от сети?

    Небольшая фотоэлектрическая установка (≤ 10 кВА) может автоматически отключаться от сети.Эти автоматические отключения происходят, когда напряжение или частота на зажимах на преобразователе достигают слишком низких или слишком высоких значений. Для этого может быть несколько причин.

  • .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *