4.4.1. Энергия ветра
Все виды возобновляемых энергоресурсов Земли взаимосвязаны и имеют общее происхождение от солнечной энергии. Общей теории современных возобновляемых энергоресурсов планеты пока не создано. Подход к независимой оценке потенциала конкретного энергоресурса имеет условный детерминированный характер, позволяющий определить масштабы и условия его практического использования.
Ветер характеризуется скоростью, являющейся случайной переменной в пространстве и времени. Поэтому, на современном уровне исследований, энергетические характеристики ветра представляются вероятностным описанием случайного процесса изменения ветроэнергетического потенциала. Основой вероятностного подхода является дискретизация временного процесса, позволяющая считать независимыми и постоянными все определяемые параметры на интервале дискретизации. В качестве временных интервалов стационарности обычно используется час, сутки, сезон, год [84].
Совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра объединяется в ветроэнергетический кадастр региона. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:
среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;
повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей ветра;
вертикальный профиль средней скорости ветра;
удельная мощность и удельная энергия ветра;
ветроэнергетические ресурсы региона.
Для получения достоверных данных о средних скоростях ветра территории необходимо использовать значительные объемы измерений в течение достаточно длительного времени. В литературе [108] приводятся рекомендации о целесообразности 10-летних объемов выборки наблюдений.
Среднегодовая скорость ветра определяется как среднеарифметическое значение, полученное в результате измерений скорости через равные промежутки времени в течение заданного периода: сутки, месяц, год, несколько лет:
 , (4.1)
где Vi – скорость ветра в интервале измерения i; n – количество интервалов измерений.
Для численной оценки разброса скоростей ветра от среднего значения используется коэффициент вариации средних скоростей, который определяется выражением:
 , (4.2)
где Sν – среднеквадратичное отклонение текущей скорости ветра от среднего значения; Vср – средняя скорость ветра за исследуемый период времени.
Известно, что скорость ветра по мере удаления от подстилающей поверхности возрастает и воздушный поток становится более устойчивым. Приближенно скорость ветра на высоте h может быть оценена по формуле:
 , (4.3)
где Vh – скорость ветра на высоте h; Vф – скорость ветра на высоте флюгера; hф – высота флюгера; α – коэффициент, зависящий от средней скорости ветра на высоте флюгера.
Для открытой местности и небольшой шероховатости подстилающей поверхности принимается α = 1/7. Зависимость значений α от скорости ветра иллюстрируется данными таблицы 4.4 [86].
Таблица 4.4 – Зависимость α от скорости ветра Vф [86]
Vф, м/с
|
0–3
|
3,5–4
|
4,5–5
|
5,5
|
6–11,5
|
12–12,5
|
13–14
|
α
|
0,20
|
0,18
|
0,16
|
0,15
|
0,14
|
0,35
|
0,13
|
Важный энергетический показатель «Повторяемость различных градаций скорости ветра» можно рассматривать как процент времени, в течение которого наблюдалась та или иная градация скорости ветра. Эта характеристика важна для расчета энергетических и других параметров, необходимых для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра.
Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Кроме эмпирических зависимостей, для описания характеристик скоростей ветра используются некоторые модельные функции, описывающие распределение случайных значений скоростей ветра V в соответствии с выражением F(V) – интегральная функция распределения, равная вероятности того, что скорость ветра больше значения V;  – дифференциальная функция распределения, равная плотности вероятности.
Среднее значение или математическое ожидание скорости ветра М(V) определяется по выражению:
 , (4.4)
Известны различные типы функций распределения скоростей ветра – Вейбулла, Рэлея, Грищевича и др. Одной из наиболее распространенных на практике функций, дающей наиболее точные результаты в диапазоне скоростей ветра 4–20 м/с, является распределение Вейбулла, описываемое выражениями:
 , (4.5)
 , (4.6)
где коэффициент с, имеющий размерность скорости, характеризует масштаб изменения функции распределения по оси скоростей, а коэффициент k характеризует крутизну распределения. Графически функции распределения вероятностей имеют вид, показанный на рис. 4.2 [108].
Рисунок 4.2 – Функция распределения вероятностей Вейбулла при значении масштабного коэффициента с = 10 и параметров распределения k = 1, 2 и 3 (кривые 1–3 соответственно)
Функция распределения Вейбулла при k =1 соответствует экспоненциальному распределению и применяется в основном в теории надежности. При k=3 распределение Вейбулла приближается к нормальному закону, который часто называется параболическим законом распределения Гаусса.
В качестве интегральной энергетической характеристики ветра широко используется удельная мощность ветрового потока, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока. Теоретический ветроэнергетический потенциал оценивается с помощью формулы:
 , (4.7)
где Р – удельная мощность, Вт/м2; ρср – средняя плотность воздуха, кг/м3;
(V3)ср – средний куб скорости.
Средний куб скорости ветра может быть выражен через среднюю скорость как:
 , (4.8)
а ветроэнергетический потенциал равен:
 . (4.9)
В качестве примера энергетических характеристик ветра на территории Волгоградской области по сезонам года можно привести данные метеостанций, представленные в таблице 4.5[84].
Таблица 4.5 – Средняя скорость ветра (м/с)[84]
Расположение метеостанции
|
Среднегодовая скорость ветра (на высоте 10м)
|
Средняя скорость ветра (м/с)
|
Максимальная скорость ветра (м/с)
|
|
|
Зима
|
Весна
|
Лето
|
Осень
|
|
Волгоград
|
4,8
|
5,4
|
4,8
|
4,2
|
4,7
|
25
|
Даниловка
|
2,7
|
2,9
|
2,8
|
2,3
|
2,7
|
25
|
Елань
|
3,3
|
3,7
|
3,1
|
2,8
|
3,4
|
24
|
Камышин
|
4,6
|
4,9
|
4,7
|
4,3
|
4,6
|
29
|
Котельниково
|
2,6
|
3,1
|
2,7
|
2,2
|
2,5
|
23
|
Нижний Чир (Суровикинский район)
|
4,0
|
4,7
|
3,9
|
3,3
|
4,0
|
26
|
Новоаннинский
|
2,6
|
3,1
|
2,7
|
2,1
|
2,6
|
24
|
Палласовка
|
2,8
|
3,2
|
2,7
|
2,4
|
2,7
|
22
|
Серафимович
|
2,7
|
3,1
|
2,9
|
2,1
|
2,5
|
23
|
Урюпинск
|
3,5
|
3,8
|
3,6
|
3,0
|
3,4
|
29
|
Фролово
|
1,8
|
2,1
|
1,8
|
1,5
|
1,8
|
23
|
Эльтон (Палласовский район)
|
4,2
|
4,5
|
4,4
|
3,9
|
4,1
|
26
|
Для оценки ветрового потенциала территории, в частности валового, может быть использована следующая методика[108]. Валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия системы ветроустановок высотой h, распределенных равномерно по территории на расстояниях, исключающих взаимное влияние энергоустановок. Обычно считается, что возмущенный ветровой поток полностью восстанавливается на расстоянии, равном 20h от ветроэлектростанции. Это условие определяет порядок размещения ветроустановок по территории. Тогда, на территории площадью S (м2) в течение времени Т (обычно год), полная ветровая энергия всех установок определится как:
 , (4.10)
или
 , (4.11)
где Vi, ti – градации скорости ветра и их относительная продолжительность.
Технический ветровой потенциал территории может быть определен с учетом двух обстоятельств.
Первое – площадь территории, пригодной по хозяйственным и экологическим условиям для размещения ветроэлектростанций. Тогда площадь территории SТ, пригодной для использования ветровой энергии, равна Sт = q∙S, где q – коэффициент, зависящий от конкретного региона.
Фактически SТ – это часть территории S, остающаяся после вычитания площадей сельхозугодий, промышленных и водохозяйственных территорий, различных строений и пр.
При определении технического потенциала территории в настоящее время рекомендуется придерживаться некоторых правил [109]:
Для ветроэлектростанций большой мощности (более 100 кВт) коэффициент использования установленной мощности должен быть не ниже 20%.
Эффективность использования ветровой энергии увеличивается с ростом мощности ветроэнергетических установок (в настоящее время их мощность доходит до 4–6 МВт).
Обычно для размещения ветроэлектростанций может использоваться не более 30% территории.
Второе – технический уровень современных ветроэнергетических установок, характеризуемый генерируемой мощностью в зависимости от скорости ветра. Для сетевых ветроэлектростанций обычно используются ветротурбины с горизонтальной осью вращения на высоте башни 50 м. Кроме технических характеристик собственно ветроэлектростанций, необходимо учитывать порядок их размещения по условию максимального использования энергии ветра.
Мощность ветроэлектростанции P(V) с диаметром ветротурбины D определяется выражением:
 , (4.12)
где  – КПД установки для скорости ветра V.
Среднестатистическое значение мощности определяется как:
 , (4.13)
или в интегральной форме:
 . (4.14)
Для максимального использования ветрового потока рекомендуется размещать ветроэлектростанции рядами перпендикулярными преимущественному направлению ветра на расстоянии 20D друг от друга. Если направление ветра может равновероятно меняться, то ВЭС целесообразно размещать в шахматном порядке между соседними станциями с расстояниями 20D.
Тогда, в первом случае на площади SТ можно разместить Sт/(20D)2 установок, позволяющих получить за год (Т = 8760 ч/год) энергию, равную:
 , (4.15)
или
 . (4.16)
Во втором случае можно разместить SТ/(100D2) установок, обеспечивающих технический потенциал энергии ветра территории:
 ,
или, с учетом градаций ветра Vi,
 . (4.17)
Как следует из приведенных выражений, технический потенциал ветровой энергии не зависит от диаметра и, следовательно, единичной мощности ветроустановок.
4.4.2. Гидроэнергия
Гидроэнергетические ресурсы – это часть водных ресурсов территории, которая может быть использована для производства энергии. Гидравлическая энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на направление движения потока воды, которая определяется разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого участка реки. При разности уровней Н, м на длине участка l, м и среднем расходе воды Q, м3/с, мощность водотока Р, Вт составит:
 , (4.18)
где ρ – плотность воды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.
Следовательно, гидроэнергетические установки осуществляют энергетическое преобразование либо напора воды, либо водности при некоторой минимальной скорости течения.
Для определения полезной мощности, производимой гидростанцией, учитывают результирующий коэффициент полезного действия установки, состоящей из гидротурбины, генератора, системы стабилизации напряжения[84].
Как для ветроэнергетики, гидроэнергетический потенциал водотоков региона подразделяется на теоретический или валовый, технический и экономический.
Величина валовой потенциальной энергии водотока на участке реки длиной l, вырабатываемой за время Т, час, равна
 , (4.19)
Расход воды по длине участка непостоянен, поэтому обычно используется линейное приближение изменения расхода вдоль участка:
 , (4.20)
где Q1, Q2 – расходы в начале и конце анализируемого участка водотока.
Таким образом, последовательно разбивая водоток на характерные участки, производится определение теоретического потенциала соответствующих участков и суммарного энергетического потенциала водотока. Границы участков обычно соответствуют местам изломов продольного профиля русла водотока.
Расчет продольного профиля водотока как правило производится с помощью топографических карт масштаба не менее 1:100 000[109]. Расчет расхода воды в каждом характерном створе может проводиться различными способами. Очевидный вариант – обработка многолетних наблюдений. Если таких данных нет, то следует использовать карты исследуемой территории масштаба 1:100000 с изолиниями модулей среднегодового стока М, л/(с⋅км2). Для определения среднемноголетней нормы годового стока реки следует оконтурить территорию ее бассейна до рассматриваемого пункта и вычислить искомую величину как средневзвешенное по оконтуренной водосборной площади значение модуля.
Кроме указанных, существуют и другие способы расчета кадастров водотоков [108].
Обычно водность рек, а с ней и гидроэнергетический потенциал сильно меняется по сезонам и месяцам. Выделяются три гидрологических сезона: весеннее половодье, летнее-осенний сезон и зимняя межень [109]. Минимальные расходы воды наблюдаются зимой, соответственно зимний сезон считается для гидроэнергетики лимитирующим.
Наибольшая водность характерна для весеннего половодья. Во время снеготаяния, интенсивность которого в лесной зоне сравнительно невелика, огромное количество воды аккумулируется в поймах рек, озерах, болотах и других естественных резервуарах на поверхности территории. Одновременно происходит аккумуляция воды и в подземных водоносных горизонтах, сложенных рыхлыми породами. Эти запасы поддерживают высокую водность рек в течение длительного времени, поэтому половодье получается большим по объему и растянутым во времени. Увеличивают продолжительность половодья и подпорные явления на устьевых участках притоков со стороны рек – водоприемников.
Некоторые малые реки со слабым подземным питанием, при отсутствии дождей, летом могут пересыхать.
Технический потенциал представляет собой часть валового потенциала энергии водотока. В традиционной гидроэнергетике технический потенциал определяется как валовый, уменьшенный на величину потерь гидроэнергии в процессе ее преобразования в электроэнергию на ГЭС, а также потери от неиспользуемых участков водотока, различные потери в водохранилище и др.
Таким образом, в гидроэлектростанциях плотинного типа технический потенциал гидроэнергии – это энергетический максимум генерируемой электроэнергии, который может быть получен на данном водотоке с использованием современных технических средств и технологий энергопреобразования.
Кроме плотинных ГЭС, в малой гидроэнергетике, особенно класса микроГЭС, широко распространены деривационные и русловые гидроэнергоустановки. Такие ГЭС используют только часть руслового стока и, как правило, осуществляют его регулирование. В этом случае понятие технический потенциал практически не имеет смысла и следует рассматривать энергетические характеристики собственно микрогидроэлектростанции [84].
Следует отметить перспективность бесплотинных гидроэнергоустановок в микрогидроэнергетике, определяемую их экологичностью, простотой конструкции и малой стоимостью при достаточно высоком уровне надежности и качества электроснабжения потребителей.
Для практического применения бесплотинных ГЭС часто весьма эффективны малые реки. Кроме гидроэнергетического потенциала региона, для таких микроГЭС весьма важно выявление участков рек и территорий, подходящих для локального использования гидроэнергии: большие перепады отметок местности, высокая водность и скорость течения. Локальная оценка факторов, определяющих гидроэнергетический потенциал, позволяет обеспечить достаточно корректное согласование между его общими оценками и возможностями энергетического использования водотока с максимальной технико-экономической эффективностью. Возможности использования гидроэнергии в значительной степени определяются реализуемым напором воды, который, прежде всего, зависит от рельефа местности, определяющего продольные уклоны рек на разных участках.
Увеличения уклонов рек обычно характерны для участков пересечения поднимающихся тектонических структур. Там, где скорость поднятия превышает интенсивность врезания реки, уклоны русла увеличиваются, а долина становится более узкой. Уклоны малых рек часто могут быть более высокими.
4.4.3. Солнечная энергия
Солнечная энергия, как и ветровая, присутствует в любой точке поверхности Земли. Количество энергии, посылаемое Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км2, составляет в летний безоблачный день 7–9 млн. кВт[110]. Лучистая энергия, проходя через атмосферу, рассеивается и поглощается. Достигая земной поверхности, солнечная радиация частично отражается. Неотраженная часть радиации поглощается, превращаясь в тепло. Нагретая поверхность, в свою очередь, становится источником собственного излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, нагревающаяся за счет теплообмена с земной поверхностью, также является источником излучения, направленного к земной поверхности и в мировое пространство.
Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих радиации представляет собой радиационный баланс, уравнение которого имеет вид:
 , (4.21)
или
 , (4.22)
где S' – прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность; Dс – рассеянная солнечная радиация; Rк – отраженная коротковолновая радиация; ЕО – противоизлучение атмосферы; Ез – излучение земной поверхности; Q – суммарная солнечная радиация;  – эффективное излучение.
Под прямой солнечной радиацией S' понимают пучок параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнца и околосолнечной зоны радиусом 5°. Доля этой радиации, приходящаяся на горизонтальную поверхность, вычисляется по формуле:
 , (4.23)
где h – высота солнца над горизонтом.
Рассеянная солнечная радиация поступает на поверхность земли от всех точек небесного свода за исключением диска солнца и около солнечной зоны радиусом 5°. Рассеянное излучение обусловлено молекулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристаллами облаков, твердыми частицами, взвешенными в воздухе [84].
Интенсивность радиации удобно измерять в Ваттах на 1 м2, а ее энергию за определенное время в киловатт-часах на 1 м2 – кВт⋅ч/м2.
Наиболее полной энергетической характеристикой солнечного излучения является суммарная солнечная радиация:
 . (4.24)
На гелиоэнергетические ресурсы территории оказывают непосредственное влияние географические и климатические характеристики: продолжительность светового дня; средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния; средние месячные и годовые характеристики прозрачности атмосферы и ряд других.
Оценка потенциала солнечной энергетики основывается на многолетних данных актинометрических наблюдений на возможно большем количестве станций, распределенных достаточно равномерно по территории.
Потенциальные возможности прихода солнечной радиации определяются географической широтой места. Климатические характеристики района, косвенно характеризуемые продолжительностью солнечного сияния, вносят существенные коррективы в возможность эффективного использования энергии солнца.
В случаях недостаточного количества актинометрических станций в регионе, для расчетного определения прихода солнечного излучения разработаны соответствующие методики[108] и расчетные формулы:
 , (4.25)
где Q – суммарная интенсивность солнечного излучения на горизонтальную поверхность за определенный период времени, кВт·ч/м2; Qо – суммарное солнечное излучение при безоблачном небе за рассматриваемый временной интервал, кВт·ч/м2; а, в – эмпирические коэффициенты; tс– эмпирическая продолжительность солнечного сияния за выбранный период времени, ч; tо – астрономическая возможность времени солнечного сияния на данной широте, ч.
Распространенным методом описания поля суммарной радиации является полиномиальная аппроксимация. Метод основан на описании участка поля метеорологической величины (Т) в окрестностях точки полиномом первого порядка:
 , (4.26)
где x и у – декартовы координаты локальной системы, причем ось x направлена на восток, а ось y на север, координаты задаются в сотнях километров; А0, А1, А2 – весовые коэффициенты. Для их вычисления применяется метод наименьших квадратов, подробно изложенный во многих работах[94, 107].
Суть метода наименьших квадратов состоит в следующем: наилучшими коэффициентами аппроксимации или выравнивания считаются те, для которых сумма квадратов невязок будет минимальной.
 . (4.27)
Необходимое условие минимума функции многих переменных заключается, как известно, в том, что все её частные производные должны равняться нулю. Отыскав частные производные по А0, А1, А2 и приравнивая их к нулю, получим систему уравнений с тремя неизвестными:
 . (4.28)
Неизвестные коэффициенты А0, А1, А2 характеризующие поле величины Т, находятся решением системы линейных уравнений, в которых N – число влияющих станций, выбранных для расчета полей характеристик солнечной радиации. Суммирование прямоугольных координат локальной системы x и y ведется по всем станциям.
Координаты x и y определяются по формулам:
 ;  , (4.29)
где x и y – прямоугольные координаты в сотнях километров; φ и λ – широта и долгота станции в градусах; φ0 и λ0 – координаты начала локальной прямоугольной системы координат в градусах; φ – средняя широта исследуемого района в градусах; а – коэффициент, равный 111,2 км/градус, соответствующий средней длине одного градуса дуги меридиана.
Выше приведенные формулы, хотя и являются приближенными, но для умеренных широт дают хорошие результаты для площадей, поперечник которых не превышает 2000–3000 км[95].
Аналитическое представление осредненных полей средних месячных величин в виде полинома позволяет оценить их горизонтальное распределение. Физический смысл весовых коэффициентов предельно прост и заключается в следующем: А0 – характеризует месячные значения метеорологической величины в начале координат (x = 0, y = 0); А1 – показывает изменение этой величины в направлении с запада на восток на 100 км, знак минус означает понижение её с запада на восток; А2 – показывает изменение величины с юга на север на 100 км, знак минус соответствует понижению её с увеличением широты местности.
При оценке потенциальных гелиоэнергоресурсов важно учитывать следующие климатические характеристики:
1) средние многолетние месячные и годовые суммы суммарной радиации Qс;
2) процентное соотношение прямой солнечной радиации в общей сумме Qс. Прямая радиация, поступающая на приёмную поверхность солнечной установки, может преобразовываться в тепловую или электрическую энергию;
3) экстремальные месячные суммы Qс;
4) среднеквадратичное отклонение месячных и годовых сумм Qс;
5) средние многолетние суточные суммы Qс по месяцам;
6) экстремальные суточные суммы Qс по месяцам при реальных условиях облачности;
7) среднеквадратичное отклонение суточных сумм Qс;
8) средние многолетние суммы Qс за часовые интервалы;
9) средние многолетние значения интенсивности Qс по срокам;
10) коэффициент вариации (%) суточных и месячных сумм Qс;
11) продолжительность светового дня, когда могут работать гелиоустановки;
12) средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния;
13) повторяемость непрерывной продолжительности солнечного сияния более 6 ч;
14) отношение фактической продолжительности солнечного сияния к возможной;
15) средняя продолжительность солнечного сияния за день с солнцем;
16) число дней без солнца;
17) средние многолетние месячные и годовые значения коэффициента прозрачности атмосферы;
18) среднее многолетнее месячное и годовое количество общей и нижней облачности;
19) средняя месячная многолетняя повторяемость ясного (0–2 балла), полуясного (3–7 баллов), пасмурного (8–10 баллов) неба по общей и нижней облачности.
Для измерения прямой солнечной радиации на актинометрических станциях используются приборы-актинометры. Рассеянная и отраженная радиация измеряется универсальным пиранометром. Радиационный баланс – балансометром.
Приход солнечной радиации к земной поверхности зависит от многих факторов:
1) от широты места;
2) от времени года и суток;
3) от прозрачности атмосферы;
4) от облачности;
5) от характера подстилающей поверхности;
6) от высоты места над уровнем моря;
7) от закрытости горизонта.
Последние два фактора оказывают существенное влияние на поступающую солнечную радиацию в условиях изрезанного рельефа.
Количество радиации, получаемое земной поверхностью за сутки, зависит, прежде всего, от широты и времени года. На каждой широте время года определяет продолжительность дневной части суток (светового дня) и, следовательно, продолжительность притока радиации. С увеличением широты продолжительность светового дня зимой уменьшается, а летом увеличивается.
Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не только от продолжительности дня, но и от высоты солнца. Высота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и суток.
Максимальная (в истинный полдень) высота Солнца в день летнего солнцестояния равна:
 , (4.30)
где φ – широта места.
Наименьшая высота Солнца – в день зимнего солнцестояния:
 , (4.31)
Зависимость прихода солнечной радиации от широты более чётко прослеживается зимой: в направлении к более высоким широтам количество солнечной радиации убывает. Летом с увеличением широты увеличивается продолжительность дня и прозрачность атмосферы, что способствует увеличению прямой и суммарной радиации. Увеличение же облачности уменьшает прямую и увеличивает рассеянную радиацию. Поток рассеянной радиации, хотя частично и компенсирует ослабление потока прямой солнечной радиации в атмосфере, но эта компенсация не является полной. Поэтому поток суммарной радиации при наличии облачности, если солнце не закрыто облаками, будет больше, чем при безоблачном небе [84].
Влияние роста прозрачности в реальных условиях может перекрываться влиянием облачности на приход радиации. Уменьшение прозрачности атмосферы приводит к увеличению рассеянной радиации.
Кроме прозрачности и облачности большое влияние на рассеянную радиацию оказывает характер подстилающей поверхности. По мере увеличения отражательной способности подстилающей поверхности значительно возрастает поток рассеянной радиации. При наличии снежного покрова увеличивается отражение прямой солнечной радиации, вторичное рассеяние которой в атмосфере приводит к увеличению рассеянной радиации.
С увеличением высоты над уровнем моря поток прямой солнечной радиации возрастает, что объясняется уменьшением оптической толщины атмосферы. Вследствие этого максимальные значения потока солнечной радиации в горных районах больше, чем на равнинной местности.
Величина потока рассеянной радиации с поднятием над уровнем моря уменьшается при ясном небе, т.к. уменьшается толща рассеивающих слоёв атмосферы. При наличии же облачности поток рассеянной радиации в слоях ниже облаков с высотой увеличивается.
Приход прямой и суммарной радиации уменьшается в пунктах, расположенных на дне долин или котловин, за счёт закрытости горизонта.
Прямая, рассеянная и суммарная солнечная радиация имеют хорошо выраженный годовой и суточный ход, которые определяются изменениями высоты Солнца и облачности.
В целом, солнечная энергия характеризуется максимальной простотой использования и повсеместным распространением. Эти обстоятельства определяют гелиоэнергетику как одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики.
4.4.4. Геотермальная энергия
В недрах Земли сосредоточено колоссальное количество тепловой энергии. Однако технологические трудности и высокие затраты не позволяют сегодня рассматривать эти энергоресурсы в качестве реального энергоисточника.
Более доступны для использования гидрогеотермальные ресурсы: термальные воды, пароводяные смеси и сухой пар. Освоение гидрогеотермальной энергии весьма актуально и интенсивно осуществляется в более чем 70 странах.
По основному энергетическому показателю – температуре термальные воды подразделяются на высокопотенциальные (> 100°С), среднепотенциальные (70–100°С) и низкопотенциальные (<70°С).
Распределение доступной геотермальной энергии на континентах весьма неравномерно и обусловлено в основном структурно-тектоническими условиями конкретных районов.
Очевидно, большей энергетической ценностью обладают высокопотенциальные воды рифтовых и вулканических районов. К сожалению, доля этих высокотермальных вод в общем гидрогеотермическом балансе для России не превышает 5–7%. Основные запасы гидротермальных ресурсов связаны с пластовыми артезианскими бассейнами [84, 108].
Развитие технологий геотермальной энергетики приводит к постепенному расширению электроэнергетических и теплотехнических возможностей преобразования термальных вод в сторону понижения температуры: для производства электроэнергии до 60–70°С и тепла до 5–10°С.
Важными оценочными элементами гидрогеотермальных месторождений являются: ресурсный показатель; производительность скважин и водозаборов; напор на устье скважин; глубина залегания водоносных горизонтов; степень минерализации; солевой и газовый состав термальных вод.
Следует отметить существенную зависимость эффективности использования гидрогеотермальных ресурсов от их геохимических свойств, определяющих срок службы трубопроводного, теплообменного и другого оборудования. По степени минерализации подземные виды разделяются на пресные, содержащие менее 0,1 г/л примесей, мезопресные 0,1-0,5 г/л и апопресные – 0,5-1 г/л, соленые (солоноватые 1-3 г/л, соленые 3-10 г/л и крепкосоленые 10-36 г/л) и рассолы (слабые 36-150 г/л, крепкие 150-320 г/л, весьма крепкие 320-500 г/л и предельно насыщенные – > 500 г/л).
Важной составляющей термальных вод являются водорастворенные газы, влияющие на механико-энергетические и другие свойства термальных вод. По газовому фактору (л/л) выделяют воды с очень низким – менее 0,1, низким (0,1-0,5), средним (0,5-1), высоким (1-5) и весьма высоким – более 5 газосодержанием.
Высокая газонасыщенность вод способствует снижению порога выделения парогазовой смеси, облегчению теплоносителя за счет образования водногазовой смеси. Эти эффекты увеличивают геомеханическую энергию и производительность скважин. При высокой газонасыщенности углеводородными газами и сам газ может иметь определенную энергетическую ценность.
Агрессивные свойства воде обычно придают СО2 и H2S, а также О2, попадающий в воду чаще всего при выходе на земную поверхность, и кислотные газы вулканических терм.
4.4.5. Энергия биомассы
К понятию биомассы относят различные сырьевые энергоресурсы растительного происхождения: древесину лесов, торф, отходы сельскохозяйственного производства и т.д. В условиях России децентрализованные электроэнергетические зоны, как правило, обладают значительными ресурсами леса и торфа, многократно превышающими другие виды биомассы. Поэтому, в первую очередь, необходимо оценить энергетические возможности этих видов природных энергоисточников [84].
При определении энергетического потенциала биомассы необходимо рассматривать следующие факторы:
Объем биоресурса, его распределение по территории децентрализованной энергетической зоны.
Теплотворные способности различных видов, фракций и пород сухой биомассы.
Абсолютную и относительную влажность исходного сырья.
Ресурс биомассы древесины определяется по данным системы учета лесного фонда. Соответственно, запасы торфа – по разведанным и учтенным месторождениям этого сырья в регионе.
Таблица 4.6 – Теплотворная способность древесного топлива [84]
Группа пород
|
Теплотворная способность, Дж/кг
|
Хвойные
|
13523∙103
|
Лиственные
|
13230∙103
|
Объем возможного количества ежегодно получаемых дров не ограничивается рубками главного пользования. В процессе ухода за лесом, санитарных и прочих рубок возможно получение 2 млн. м3 дровяной древесины с теплотворной способностью 26⋅1015 Дж.
Таким образом, речь идет о значительном энергетическом источнике, источнике неисчерпаемом, экологически чистом и в этом плане несравнимом ни с нефтью, ни с газом.
Торф является одним из широко распространенных твердых горючих ископаемых. Россия обладает наибольшими запасами торфа, прогнозная величина которых превышает 180109 тонн [109].
Торф в качестве топлива используется в следующих видах: фрезерный торф (торфяная крошка), кусковой торф (мелкокусковой, гранулированный), брикеты и полубрикеты.
Энергетические характеристики торфяного топлива в сравнении с другими распространенными видами топлива приведены в таблице 7.
Месторождения и проявления торфа расположены в северо-западной части Волгоградской области, в пределах Урюпинского, Новоаннинского, Алексеевского, Киквидзенского, Серафимовичского, Михайловского районов (рядом с пойменными участками и террасами рек).
В целом учтены 16 месторождений с балансовыми запасами категории С — 922 тыс. т и забалансовыми — 1033 тыс. т. Кроме этого, учтены 12 проявлений с прогнозными ресурсами (кат. Pi) 1877 тыс. т.
Перспективным для постановки разведочных работ является месторождение Трясиновские Ольхи — с запасами 341 тыс. т по категории С2. Расположено оно в 23 км на северо-восток от г. Серафимович.
Торфяное сырьё может применяться для производства органических и органоминеральных удобрений всех видов, торфяных грунтов всех видов, прессованной продукции, препаратов на гуминовой основе, бытового и энергетического топлива, подстилок в животноводстве.
Таблица 4.7 – Теплота сгорания топлива [84]
Топливо
|
Содержание водорода в горючей массе, %
|
Содержание в рабочем топливе, %
|
Теплота сгорания, МДж/кг/ккал/кг
|
|
|
Влаги
|
золы
|
|
Бензин
|
15,0
|
0
|
0
|
47,35/11300
|
44,00/10501
|
Антрацит
|
1,8
|
5
|
13
|
27,65/6599
|
27,24/6501
|
Каменный уголь
|
5,5
|
13
|
20
|
21,45/5119
|
20,28/4840
|
Бурый уголь
|
5,2
|
17
|
25
|
16,88/4029
|
15,80/3771
|
Торф:
|
|
фрезерный
|
6,0
|
50
|
6
|
10,35/2470
|
8,51/2031
|
кусковой
|
6,0
|
40
|
7
|
12,44/2969
|
10,73/2561
|
брикет
|
6,0
|
20
|
6
|
20,53/4899
|
17,01/4060
|
Дрова
|
6,0
|
40
|
0,6
|
12,03/2871
|
10,22/2439
|
Таким образом, такие виды биотоплива как древесина и торф широко распространены в России и рассматриваются во многих случаях как первоочередные энергоресурсы, занимающие традиционную энергетическую базу децентрализованных зон. Главными достоинствами этих энергоресурсов являются независимость их потенциала от времени года, отработанные технологии энергопреобразования, низкая себестоимость производимой электроэнергии.
|
