Исследование возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае

Российское соревнование юных исследователей

«Шаг в будущее, ЮНИОР»

Научно-исследовательский проект

Выполнил:

Мамедов Юрий Юрьевич

Ученик 8«А» класса МОУСОШ №30

станицы   Нововеличковской

Динского  района

Краснодарского  края

Россия

Научный руководитель:

Беленко Елена Алексеевна

Учитель физики высшей категории

МОУСОШ №30

2010

«Исследование возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае, Ветродвигатель»

Мамедов Юрий Юрьевич, Краснодарский край, Динской район, станица Нововеличковская, МОУСОШ № 30, 8класс

Научная статья

             Человечество потребляет огромное количество энергии. За год мы сжигаем от 9 до 20 млрд. тонн топлива. 65 % всей получаемой энергии составляют полезные ископаемые, 15% делают АЭС, 19%-ГЭС и лишь 1%  от других источников энергии. Если рассматривать перспективы традиционной энергетики, то угля хватит на 600 лет, нефти - на 90 лет, газа - на 50 лет, урана, по разным прогнозам, на 35-80 лет. А потребности в электроэнергии всё растут…

Поэтому мы обратились к теме нетрадиционных источников энергии. К ним относятся ветроэнергетика, энергия океана, геотермальная энергетика, энергия Солнца.

Несмотря на огромный потенциал возобновляемых источников энергии,  их использование осложняется техническим состоянием.

Человечество сейчас решает два главных вопроса. С одной стороны- быстрое увеличение численности населения, и ещё более высокие темпы роста потребностей и потребления приведут к значительному увеличению плотности населения и нагрузки на природные ресурсы, особенно не возобновляемые. Но дело не только в перенаселённости ряда регионов планеты, а, прежде всего в том, что запасы допустимых месторождении минерального сырья и топлива исчерпаются, пресной воды во многих странах не хватает, леса вырубаются, плодородные земли истощаются. Специалисты подсчитывают, на сколько лет хватает разведанных запасов нефти и газа, ряда цветных металлов. К середине 21 века перед многими странами эта проблема встанет во весь рост, и ни какими повышениями цен её не решить. Нужны принципиально новые решения, резко сокращающие потребности общества в ископаемом топливе и сырье, лесных и водных ресурсах, обрабатываемой земле.

Темпы  роста потребления первичных ресурсов должны быть минимизированы, а в более отдалённой перспективе - сведены к нулю. Без этого человечество не может выжить на планете.

Другой вопрос – растущее загрязнение окружающей среды; увеличение выбросов парниковых газов, загрязнение водоёмов, радиоактивные загрязнения и т.п. С 1980 года по 1999 год объёмов выбросов углекислого газа по миру увеличилось с 13,9 млрд.т. до 22,5 млрд.т. – на 62,6% или 2,7% годовых, на душу населения – соответственно с 3,4 до 3,8 тонн. Это усилило угрозу парникового эффекта и неблагоприятных изменений климата.

Цель моей работы – исследовать возможности возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае. Задача – выяснить, насколько  возможно, использовать

альтернативные источники энергии, обеспечить в необходимом количестве растущие потребности в электроэнергии.

Методы:

1.Анализ современного состояния источников электроэнергии.

2.Изучение возможностей строительства альтернативных источников энергии на Кубани.

3.Конструирование простейших ветроэлектростанций.

4.Анализ научной литературы.

Возобновляемые источники энергии в Краснодарском крае.

Южный Федеральный округ и особенно Северный Кавказ давно испытывают дефицит энергоресурсов. Из-за нехватки электрической энергии и газа более двух десятков проектов в ЮФО фактически на грани остановки. «Газопроводы на юге не имеют физической способности пропустить дополнительные расходы газа,- объяснил генеральный директор ОАО «ЮЖГЕОТЕПЛО» Виталий Бутузов. Между Геленджиком и Туапсе газоснабжения вообще нет». А ведь от этого зависят многие масштабные начинания. То и дело возникают проблемы с электроснабжением Сочи - столицы будущей зимней олимпиады, летом без света осталось 25 тысяч жителей Краснодарского края. И руководство ряда субъектов ЮФО решило сделать ставку на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - другими словами, на «нетрадиционную» энергию.

Альтернативная энергетика основана на возобновляемых источниках энергии, которые используют «возможности» Солнца, ветра, приливов и отливов, внутреннее тепло планеты. Российский юг в этом смысле - край благодатный. Что и отметил во время конференции по нетрадиционной энергетике в Сочи первый заместитель руководителя департамента топливно-энергетического комплекса Краснодарского края Павел Алёшин: «На юге солнце светит всем бесплатно. Нужно использовать этот потенциал. Солнечный коллектор - большое будущее для Сочи». Павел Петрович уточнил, что кубанцы рассчитывают не только на Солнце: « У нас в крае разработана концепция развития возобновляемой энергии. С 2010 по 2015 год на Кубани предполагается получить 200 МВт солнечной энергии, 1000 МВт -геотермальной и 100 МВт - на биомассе».

Сюда же следует добавить развитие ветроэнергетики. В конце октября кубанские власти подписали соглашения с канадской компанией Оге1а Епег§у. 1пс о проведении мониторинга активности ветра в Мостовском, Армавирском, Новокубанском, Приморско-Ахтарском и Апшеронском районах. Первую ветроэлектростанцию планируется ввести в строй к 2010 году недалеко от Ейска.

Её мощность 50 МВт, срок окупаемости - около 7 лет. Использование потенциала ветра способно в значительной мере сократить существующий в ЮФО энергодефицит. По оценкам специалистов, на юге России наиболее перспективны для ветроэлектростанций побережье Азовского и Каспийского морей, Дагестан и Калмыкия. В Калмыкии на территории Приютненского района уже монтируются две крупные «ветряные мельницы», к 2010 году на территории республики их будет свыше десяти. К сожалению, пока Россия далеко отстаёт от ведущих стран Европы, где к 2020 году 20 % электроэнергии будет вырабатываться за счёт ветра. Но есть другие перспективные направления. Одно из них - использование энергии Солнца. Уже при цене нефти свыше 35 долларов за баррель солнечные батареи становятся рентабельными и окупаются самое большее за семь лет. А нынче нефть стоит куда дороже. Энергию Солнца в южных регионах стали использовать ещё в 90-е годы прошлого века. Тогда в Краснодарском крае построили целую «солнечную» деревню из сорока домов, которые «подпитывались» от солнечных коллекторных батарей, установленных на крышах. Ничего подобного доселе в России не возводилось. Затем кубанцы возвели ещё 65 гелиоустановок. Очевидно, что применение гелиоустановок для отопления неэффективно, а практическое значение имеет использование солнечной энергии для горячего водоснабжения в период с апреля по октябрь. Кроме, того, анализ возможностей применения гелиоустановок свидетельствует, что при использовании солнечной энергии 25% населения Краснодарского края, не имеющего централизованного теплоснабжения (916 тыс. человек), и 50% отдыхающих(5000 тыс. человек) общая потребность края гелиоустановок составляет 1450 тыс.м2.

На фото 1 представлена одна из первых гелиоустановок издательства «Советская Кубань» в городе Краснодаре. На кровле здания в 1989 году установлено 432 коллектора Тбилисского завода общей площадью 260 м2 . Гелиоустановка общей насосной циркуляцией оборудована баками – аккумуляторами ёмкостью 20 мЗ и работает на горячее водоснабжение в межотопительный период.

На фото 2 представлена гелиоустановка пансионата «Лесная поляна» в г.Новороссийске. На кровле здания в 1999 году установлено 68 коллекторов Ковровского завода общей площадью 51м2. Гелиоустановка одноконтурная, с естественной циркуляцией, оборудована баком аккумулятором емкостью 7мЗ и работает на горячее водоснабжение в летнее время. Сейчас Краснодарский край - самый крупный российский производитель солнечной энергии. В последнее время свою лепту вносят и инвесторы, которые приходят на Кубань.

        Фото 1                                                                             Фото 2

ЛУКОЙЛ, например, строит в районе Красной поляны автозаправочную станцию, черпающую энергию от солнечных батарей. В этом году строительство «чудо - АЗС» приезжал контролировать лично президент ЛУКОЙЛа Вагит Алекперов. ЛУКОЙЛ собирается также использовать на своих заправках ветроэлектростанции: 50 таких агрегатов компания заказала на одном из заводов Волгограда.

За кубанцами потянулись к солнышку и другие регионы Юга - например, Дагестан. Недавно солнечные коллекторы стали выпускать в промышленных масштабах на буйнакском предприятии «Мушарака».

Мы рассчитываем на то, что такие батареи будут пользоваться хорошим спросом, -пояснил 1п1егтах - Яи831а.ги генеральный директор предприятия Али - Омар Ахмедов. У «Мушараки» есть своё ноу-хау: для изготовления солнечных батарей мы используем не медные трубки, а поликарбонат. Солнечное тепло он впитывает чуть дольше, зато цена установки - примерно втрое дешевле, чем медной. Она согревает за день 50 литров воды до температуры +70 градусов. Особенно хороши такие коллекторы в наших горах. Зимой там холодно и солнечно одновременно. А топят жилье до сих пор дровами.

Но есть в Дагестане и другие не менее привлекательные источники альтернативной энергетики - геотермальные. Речь идет о теплоснабжении с помощью подземных горячих вод. В Дагестане за год добывают более шести миллионов кубометров геотермальной воды, всего же на Северном Кавказе свыше полумиллиона человек используют геотермальное водоснабжение. Ещё в СССР геотермия была развита в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Дагестане. Научно-исследовательскими работами в этой области занимались институты Академии наук, министерств геологии и газовой промышленности. К сожалению, в 90-е годы прошлого века все сошло на нет.

Впрочем, в последнее время перспективами геотермии серьёзно заинтересовались опять-таки на Кубани. Власти края вместе с инвесторами обещают построить сеть геотермальных станций, что позволит снизить энерготарифы на 40 %. Станции появятся на базе скважин в Лабинском, Усть-Лабинском, Апшеронском, Мостовском, Горячеключевском районах и в Анапе. Самый крупный проект реализуют в посёлке Розовый (Лабинский район). Сюда привлечены гранты и кредиты Глобального экологического фонда Мирового банка. Речь идёт не только о горячих подземных водах. Помимо них, в посёлке появятся гелиоустановки, котельная на биомассе, ветроагрегаты и мини-ГЭС. Стоимость проекта- 10 миллионов долларов, срок окупаемости- 5 лет. Станция заработает в середине октября 2010 года.

Эксперты говорят о настоящем буме в области альтернативной энергетике на юге России, который начался в 2007 году и активно продолжает набирать обороты. В ЮФО уже существует полтора десятка проектов по строительству мощностей с использованием возобновляемых источников энергии. О нацеленности на альтернативную энергетику заявил и генеральный директор «Южной генерирующей компании ТГК-8» Виктор Гвоздев (именно ТГК-8 в этом году разработала проект использования ВИЭ для Краснодарского и Ставропольского краёв): «По мере дальнейшего удорожания топливных ресурсов экономическая эффективность возобновляемых источников энергии возрастёт. Это актуально для нас ещё и потому, что в курортных зонах сжигание угля или мазута вредит экологии». В ЮФО сформировался кластер производителей оборудования нетрадиционной энергетики: краснодарские компании «Солнечный ветер» (серийное производство фотоэлектрических преобразователей), «Ветроэн-Юг» и ОАО «Сатурн» (разработка и производство солнечных и никель-водородных батарей), астраханский «Ветроэнергомаш», волгоградское НПО «Ветротехника» и другие. Изыскательские и конструкторские разработки ведут кафедра энергетики и возобновляемых источников энергии на базе Кубанского аграрного университета, Краснодарский ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий», «Волгоградский центр энергоэффективности», «Южный инженерный центр энергетики» и другие научно-исследовательские организации.

Исходя из этого, возможный прорыв в области отечественной нетрадиционной энергетики многие специалисты связывают именно с Южным Федеральным округом и экологически чистым паровозом, который вперёд летит и тянет за собой Россию.

Стоимость возобновляемой энергии.

Один из основных аргументов против использования НВИЭ - их «дороговизна». Однако приведенные в таблице данные по средней стоимости электроэнергии, полученной от различных источников энергии на электростанциях стран ЕС (В центах за кВт. ч), свидетельствуют об обратном: одной из самых дорогих оказывается энергия, полученная на АЭС. Все остальные источники ( за исключением фотоэлектрических станций) значительно дешевле.

Разумеется, эти усредненные показатели могут очень сильно меняться в зависимости от конкретных экономических и географических условий. Согласно официальным оценкам (Минтопэнерго), экономический потенциал ВИЭ в России составляет:

Однако энергия большинства НВИЭ обладает малой плотностью потоков энергии (рассеянностью или низким удельным потенциалом) и нерегулярностью поступления, зависящей от климатических условий, суточных и сезонных циклов. Поэтому для эффективного использования НВИЭ, собственно ветра, Солнца, морских волн и др., необходимо решить ряд инженерных задач по созданию экономичных и надёжных устройств и систем, воспринимающих, концентрирующих и преобразующих эти виды источников энергии в приемлемую для потребителя тепловую, механическую и электрическую энергию. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счёт НВИЭ, особенно автономных потребителей, система должна быть укомплектована аккумуляторами и преобразователями.

Особенно перспективны гибридные системы, использующие одновременно два или несколько видов НВИЭ, например Солнце и ветер, взаимно дополняющих друг друга, в сочетании с аккумулятором и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве привода электрогенератора.

При существующем соотношении цен на органическое топливо и оборудование уже сегодня имеются зоны экономически эффективного применения НВИЭ и в России. По электроэнергии - это районы автономного электроснабжения, особенно использующие привозное топливо, а также территории дефицитных энергосистем. По теплу - это практически вся территория России, особенно районы с привозным топливом, экологически напряжённые населённые пункты и города, а также места массового отдыха населения. Зоны экономически эффективного применения НВИЭ будут возрастать по мере ужесточения требований к выбросам и введения за них дополнительной платы.

Практическая часть.

Одним из альтернативных источников энергии является устройство, которое я предлагаю в качестве ветродвигателя. Данное устройство используется для преобразования энергии движения ветра в механическом вращении вала ветродвигателя, к которому могут быть присоединены различные механические устройства или преобразователи механической энергии.

Существует несколько подобных ветродвигателей, но данное устройство отличается упрощенной конструкцией, уменьшением массогабаритных характеристик, увеличение коэффициента использования энергии ветра.

Устройство поясняется чертежами, где на рис.1 показан общий вид ветродвигателя; на рис.2 показано щелевое крыло.

Ветродвигатель содержит ветроколесо с вертикальной осью вращения 1, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами 2, скрепленными радиальными траверсами 3, жестко закрепленными на вертикальной оси вращения 1 перпендикулярно ей (при больших размерах ветроколеса число траверс равно двум, при малых можно использовать только одну траверсу). Внешние концы 4 траверс 3 оперты на кольцевую опору 5. При необходимости (при больших размерах ветровоспринимающих элементов), можно использовать две параллельные кольцевые опоры, разнесенные по высоте друг над другом. Ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии 6. Каждый ветровоспринимающий элемент 2 выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей 7, разнесенных в плоскости вращения ротора друг от друга на 0,3 хорды лопасти по типу щелевого крыла Жуковского Н.Е.

Профилю поперечного сечения лопастей 7 придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения 8 ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей 9, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его вогнутой поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей. Поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части её выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла. Кроме того, образующая ветровоспринимающей поверхности 9 наименьшей из лопастей 7 щелевого крыла радиально и перпендикулярна вертикальной оси вращения 1.

Внешние концы траверс снабжены роликами 10 с ребордами, которыми они опёрты на кольцевую опору 5, с возможностью качения по ней. Кольцевая опора 5 зафиксирована на опорных мачтах 11(как минимум, трёх). Ветродвигатель работает следующим образом. При наличии ветра, на ветровоспринимающих элементах 2, при направлениях ветра от 0 до 180 градусов возникают аэродинамические силы, заставляющиеся вращаться вал двигателя (вертикальную ось вращения), так как поверхности щелевых крыльев, движущиеся на встречу ветру, имеют более низкое аэродинамическое сопротивление. При этом, в активной зоне щелевых крыльев возникают дополнительные аэродинамические силы в соответствии со свойствами щелевого крыла, которые повышают аэродинамические силы, действующие на лопасти, в 1,7-2 раза в сравнении с одинарной-обычной лопастью.

Увеличение числа лопастей в ветровоспринимающих элементах свыше трёх приведёт только к снижению эффективности ветродвигателя. Наличие кольцевой опоры 5, укреплённой не менее чем на трёх опорных мачтах 11, обеспечивает почти полную разгрузку вертикальной оси вращения и траверс ветродвигателя от опрокидывающего момента при ветре любой силы. Вращение вертикальной оси вращения 1 передаётся на вал генератора электрической энергии 6 с выработкой электроэнергии. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет увеличить ветроэффективность ветродвигателя почти в 3,2 раза в сравнении с классической и довести её до величины 0,65-0,75.

Мною изготовлен макет данного ветродвигателя в уменьшенном размере, при этом выдержав конструктивные основные особенности устройства. Данный ветродвигатель я использовал, чтобы проверить работу карманного фонарика. Эксперимент удался, после того, как на ветродвигатель был направлен поток от работающего фена мощностью 1000Вт. Таким образом, я проверил работоспособность моего ветродвигателя и могу предложить его использовать для более серьёзных целей, как один из нетрадиционных источников энергии.

1. Ермашкевич В.Н. Возобновляемые источники энергии. Прогноз, механизмы реализации.
2. Пицунова О.Н, Пинчук А.А. Альтернативная энергетика сегодня, ЦСЭИ, Саратов,2006
3. Подгорный И. Альтернативные источники энергии (по материалам мировых информационных изданий). Сетевой проект «Остров Крым в Океане Всемирной паутины». Темеев А. Поплавковые волновые электростанции - перспективная основа альтернативной энергетики. (ТОО) Компания «Прикладные технологии».
4. Энн Виккельсо, К.Пледжруп, Рабочая книга энергетического офиса. Дания, Выборг, 2003
5. Л.С.Юдасин «Энергетика: проблемы и надежды». М., Просвещение,2005
6. Технология освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, биомассы и др.), а также вторичных энергоресурсов. 2008 РИНКЦЭ.
7. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России. «Бизнес и инвестиции в области ВИЭ в России».
8. Интернет - сайты (ресурсы).