Нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії

До основних нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії відносять: енергію сонця, вітру, тепла землі, біомаси (органічні відходи в господарській діяльності людей, енергетичні плантації), океанів та морів (наприклад, припливи та відливи, температурний градієнт); нетра­диційні види гідроенергетики (малих річок, гідроакумулюючих систем), а також вторинні енергетичні ресурси (теплові відходи промислових та сільськогосподарських підприємств).

7.4.1. Використання енергії сонця для енергопостачання будинків

Перспективним джерелом тепла в Україні є енергія сонця. Рівень інсоляції становить від 3,8 ГДж/м² на заході до 4,99 ГДж/м: — на півдні країни. Інтенсивність сонячного випромінювання в Україні складає приблизно 3,48 МВт·год на рік. Тому сонячну енергію можна достатньо ефективно використовувати для теплопостачання будівель торговельних підприємств. Здійснюють таке теплопостачання переважно за двома принциповими схемами, які передбачають пасивне або активне використання сонячної енергії.

Системи сонячного теплопостачання передбачають влаштування сонячних колекторів па даху під кутом 45…50° або на вертикальних пів­денно орієнтованих огороджуючих конструкціях. Площа сонячного ко­лектора займає значну площу і тому є визначним формоутворюючим елементом будівлі. Крім того, поверхня сонячного колектора може бути гладкою плоскою, хвилястою, трубчастою або ребристою і до того ж чорного кольору для кращого поглинання сонячної енергії.

У випадку встановлення на будівлі замість сонячних колекторів сонячних концен­траторів, як правило, параболоциліндричної форми, задача архітектора спрощується, оскільки їх можна розташовувати на плоскому даху, тобто розташувати так, щоб вони були невидимі з землі і не впливали на зорове сприйняття будинку в цілому.

Крім систем сонячного теплопостачання, використовують сонячні фотоелектричні установки, які безпосередньо перетворюють сонячну радіацію на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фо-тоелектроперетворювачів. В цих установках для роботи приладів перемінного стуму передбачають інвертори.

Перспективним напрямом енергопостачанн є біоенергетика, де джерелом енергії є біомаса. В даному випадку під цим терміном розуміють відходи, які мають органічну природу, тобто всі види рослин, відходи сільського господарства (рослинні та тва­ринні), відходи деревообробної і а інших видів промисловості, побуюві відходи. Використання біомаси як джерела енергії до недавнього часу зводилося до прямого спалювання її у відкріпому вогнищі або в печах і топках з відносно низьким ККД. Крім того, недоліком біомаси як палива є відносно великий, порівняно з іншими видами палива, вміст вологи. При використанні біомаси як джерела енергії доцільнішою є технологія отримання з біомаси біогазу, який є сумішшю метану та вуглекислого газу і який в подальшому використовують як паливо. Біогаз отримують в анаеробних умовах у спеціальних біореакіорах, які обладнані і відрегульовані таким чином, шоб при зброджуваниі біомаси забезпечити максимальне виділення метану. Якщо реактор працює нор­мально, отриманий біогач місіть 60...70% метану 30...40 % двооксиду вуглецю, невелику кількість сірководню, а також суміші водню, аміаку та оксиду азоту, Енергія, яку отримують при спалюванні біогазу, може досягати 60...90 % енергії вихідного матеріалу, в той час як при прямому спалюванні вихідного матеріалу ця величина становить 35...50 %.

Ще одним важливим способом альтернативного енергопостачання є використання вітроенергетичні установок (ВЕУ), які перетворюють кінетичну енергію вітрового потоку в електричну за допомогою генератора. Лопаті ВЕУ використовуються для обертання центральної ступиці, яка під'єднана через коробку передач до електричного генератора. При цьому швидкість вітру і площа, що охоплюється лопатями вітротурбіни, є найважливішими факторами, що впливають на кіль­кість енергії, яку ВЕУ може перетворити в електроенергію. Енергія вітру змінюється пропорціонально кубу швидкості вітру. Тобто, якщо швидкість вітру подвоюється, то кінетична енергія, яку отримає ротор, збільшиться у вісім разів.

За розташуванням осі обертання розрізняють два типи вітроенергетичні установок. ВЕУ із горизонтальною віссю обертання мають дві або три лопаті, що встановлені на вершині башти. Довжина лопатей переважно становить 15...40 м. Розміри сучасних ВЕУ мають широкий діапазон: від малих 100 кВт-них, що призначені для забезпечення електроенергією окремих будівель, до великих - потужністю більше 1 МВт. Сучасні ВЕУ зазвичай мають такі основні компоненти: лопаті, ротор, трансмісію, генератор і систему контролю.

Важливими факторами, що впливають на продуктивність ВЕУ, є висота установки та її місце розташування. Оскільки швидкість вітру зростає з висотою, то більшість ВЕУ мають високі башти (приблизно 30 м). Будинки, дерева та інші перепони зменшують швидкість вітру, у той час як значні водні простори чи території аеродромів не спричиняють стримуючого ефекту на вітер. ВЕУ повинна бути вищою за оточуючі пе­репони, які знаходяться в радіусі 100 м, мінімум на 10 м. Вважається, що мінімальна економічна висота установки - 15 м.

Також енергію можна отримувати з використанням низькопотенціальних (слабонагрітих) альтер­нативних джерел енергії, до яких відносять: воду (ґрунтову, відкритих джерел, геотермальну, підігріту стічну), повітря та грунт. Безпосереднє використання теплоти цих джерел для теплопостачання будівель у більшості випадків економічно недоцільне і тому на практиці для підняття їх потенціалу додатково застосовують теплові насоси.

Принцип роботи теплового насосу аналогічний прин­ципу роботи холодильної шафи, але його призначення — прямо про­тилежне. У компресійному тепловому насосі внаслідок підведення тепла від джерела теплової енергії (наприклад, грунтові води, грунт, повітря тощо) відбувається випаровування холодоагенту у випарнику при низькій температурі та низькому тиску. У компресорі за рахунок механічної енергії здійснюється стискання холодоагенту, при цьому температура і тиск пари підвищуються. Через підвищення тиску підвищується також температура кипіння холодоагенту. У другому те­плообміннику (конденсаторі) при високій температурі, споживачеві тепла віддається тепло випаровування (наприклад, опалювальним кон­туром), яке було сприйняте при низькій температурі у випарнику. Потім у регулюючому клапані (дроселі) рідкий холодоагент знову дроселюєть­ся до низьких значень температури і тиску на вході до випарника.

Найважливішим критерієм доцільності використання теплового насосу є так званий робочий коефіцієнт (відношення генерованої тепло­вим насосом теплової енергії до спожитої у вигляді електричного струму кількості енергії). Так, приміром, 81 кВт·год теплоти при спалюванні газу, перетворювані на електростанції на 25 кВт·год електроенергії, в теплово­му насосі з робочим коефіцієнтом 4 будуть перетворені на 100 кВт·год теплової енергії. Значення робочого коефіцієнта залежить, передусім, від різниці температур джерела тепла і його споживача (температура у тру­бопроводі подачі теплоносія). Зниження різниці температур на 1 °С зу­мовлює зменшення споживання струму приблизно на 2,5 %.

Достатньо зручним джерелом теплоти для теплових насосів є вода, яка забезпечує найбільші значення коефіцієнта передачі теплоти. Так, наприклад, грунтові води впродовж усього року зберігають практично постійну температуру і при використанні теплових насосів для систем опалення «тепла підлога» з температурою води у трубопроводі подачі 35 °С середньорічне значення робочого коефіцієнта становить біля 4 і залишається в раціональних межах навіть при температурі води в тру­бопроводі подачі 55 °С.