Анализ использования различных видов энергии.

 Использование электроэнергии.

В связи с принятием Россией, Киотского договора (от 16 февраля 2005 года) по ограничению и снижению выбросов парниковых газов образующихся в ходе антропогенной деятельности, хотелось бы взглянуть на эту проблему несколько с иной стороны. В настоящее время для получения энергии используется газообразное, реже жидкое топливо. В связи с этим довольно значительная часть вредных веществ попадает в атмосферу. Не буду приводить конкретные цифры, интересующиеся могут получить эту информацию из других источников. Не хочу, так же, оспаривать необходимость существования ГРЭС, ТЭЦ и иных крупногабаритных объектов. Их деятельность, безусловно, необходима, и ставить под сомнение преимущество их использования в условиях города было бы абсурдно. Но вот в чём парадокс! В печати то и дело появляются публикации об «экономически выгодных» преобразователях энергии, таких как тепловые насосы, теплогенераторы, электродные котлы и т.д.. Но все они работают от электроэнергии. Для того, чтобы получить реальную экономию необходимо проследить всю энергетическую цепочку от её производства до потребления.

Предположим, мы вырабатываем электроэнергию на ГРЭС. При этом перегретый пар вращает паровую турбину, турбина вращает генератор, генератор подаёт энергию в ЛЭП, из ЛЭП, через подстанцию энергия подаётся потребителю. Цепочка получилась несколько упрощённой, но для наглядности этого достаточно.

В соответствии с «циклом Карно» КПД любой тепловой машины не может быть выше единицы. Произведём расчёт по упрощённой формуле Карно:

 

N = 1-Т2/Т1

 

где      N – КПД цикла Карно.

Т1 – температура на входе турбины

Т2 – температура холодильника.

Примем следующие условия:

Т1 = 300 С,

Т2 = 60 С.

Таким образом КПД цикла Карно составит 1-60/300 =  0,8

КПД механизма турбины примем за 96 % (это очень хорошая турбина)

КПД электрогенератора = 85 %;

КПД ЛЭП = 75 %

КПД подстанции 89 %.

Подсчитаем какое количество энергии доходит до потребителя. Для этого перемножим все полученные значения КПД звеньев.

 

N = 0,8 * 0,96 * 0,85 * 0,75 * 0,89 = 0,435744.

 

Как не прискорбно видеть этот результат, но это всё, что получает конечный пользователь (по утверждениям энергетиков, ещё меньше).

Исходя из всего вышесказанного, предложения экономить 2 - 3 % энергии на стороне конечного пользователя выглядят более чем забавно. В особенности если это касается отопления электроэнергией. (Более неподходящего «топлива» пожалуй, и не сыщешь).

Есть более рациональный способ обогрева жилья, применяемый, в наше время повсеместно. Это сжигать газ непосредственно в котельных. КПД котельных в самом худшем случае будет не ниже 70 – 75 %. При правильном применении теплоизолирующих материалов и отлаженном оборудовании можно добиться КПД 80 % и более. К сожалению, эту энергию нельзя использовать нигде, кроме как для отопления  жилья.

 

Использование мини гидроэлектростанций.

Альтернативный источник получения энергии – это использование мини гидроэлектростанций. Здесь имеется ряд недостатков присущих только такому источнику энергии. Мини ГЭС применяются, в основном, на небольших реках и ручьях. Как правило, запруды, и водохранилища для таких станций не применяются ввиду их дороговизны. Получение же электроэнергии из потоков со скоростью ниже 2 -3 М/с предприятие более чем сомнительное. К тому же наши реки и ручьи замерзают на весь зимний и весенний период. Толщина образующегося льда такова, что он во время паводка с лёгкостью может снести любую мини ГЭС. Таким образом, никакой энергии мы не будем получать от мини ГЭС на протяжении 7 – 9 месяцев в году (исключением являются южные районы России такие как Краснодарский край).

 

Использование ветроэнергоустановок.

А существует ли какой-нибудь источник энергии, обладающий хорошими эксплуатационными показателями, сравнительно недорогой, в достаточной степени автономный и действующий в течение всего года? Да. Такой источник существует. Это ветер. Ветер есть всегда и везде. На протяжении суток сила ветра может варьировать в широких пределах, но полного штиля никогда не наблюдается. Ветроустановке не страшны ни морозы, ни дождь, а ветер её родная стихия.

Известно, что мощность, развиваемая крыльчаткой ветроустановки можно рассчитать по следующей формуле:

 

P = A * (p/2) * u^3 * n

Где:

 

Для примера примем следующие значения :

 

A = 12,57; p = 1.2; u = 5; n = 0.8.

 

Подставив эти  значения в формулу, получаем:

 

P = 12.57 * 0.6 * 125 * 0.8 = 754,2 Вт.

 

Таким образом, мощность установки имеющей размах крыльев 4 метра имеет мощность 754,2 ватт или 0,7542 квт.ч энергии (не электро, а механической).

За сутки получаем :

 

Pсут = 0,7542 * 24 = 18,1008 кВт.

 

При стоимости установки в 25 000 рублей и времени окупаемости 3 года, себестоимость 1 киловатта энергии составит:

 

Pсст = 25000 / (365 * 3) / 18.1 = 1.26 руб.

 

что несколько ниже стоимости  электроэнергии (1,6 руб.).

            Если скорость воздушного потока принят равным 10 м/с то, при всех прочих равных условиях получаем:

 

P = 12,57 * 0,6 * 1000* 0,8 = 6033,6 Вт;

Pсут = 6,0336 * 24 = 144,8064 кВт;

Pсст = 25000 / (365 * 3) / 144,8 = 0,16 руб

 

При стоимости электроэнергии 1,6 руб. получаем экономию 1,44 руб. за каждый киловатт.

            Как же использовать эту энергию? Ведь скорость ветра не постоянна и меняется в течение суток. Расход – энергии тоже может не совпадать с пиком её получения. Как же быть? Выход один – необходимо где-то её накапливать и использовать по мере необходимости.

            Разберём несколько возможных способов накопления и хранения энергии:

Первое, что приходит на ум – это использование в качестве накопителя электроаккумуляторов. Недостатки электроаккумуляторов хорошо известны. Это значительные габариты и вес, высокая стоимость, сложность эксплуатации, низкая энергоёмкость и длительная зарядка. Всего перечисленного достаточно, чтобы отказаться от использования электроаккумуляторов.

            Второй способ – это накопление энергии в супермаховике. Этот способ самый эффективный из всех имеющихся, но на сегодняшний день стоимость супермаховиков довольно высока и составляет несколько десятков тысяч рублей, что значительно удорожает установку (ветроустановка с супермаховиком рассмотрена здесь).

            Но к счастью существует недорогой и достаточно эффективный способ накопления энергии в сжатом воздухе. При умеренной её стоимости и небольших габаритах она имеет наилучшие эксплуатационные показатели. Небольшое число звеньев преобразования энергии, пожаробезопасность и экологичность комплекса, даёт такой установке неоспоримые преимущества  при использовании в сельском хозяйстве, в фермерских хозяйствах и удалённых пастбищах.

            Рассмотрим подробнее некоторые преимущества использования пневматических накопителей:

1. Имеющиеся в продаже пневматические инструменты (дрели, рубанки, заточные круги) имеют небольшие габариты и невысокую стоимость.
2. Появляется возможность применения инжекционных вакуумных насосов для аппаратов машинного доения. Такие насосы отличаются высоким КПД и низким уровнем шума, что оказывает положительное влияние на здоровье животных.
3.  При применении специальных пневмодвигателей в системе навозоудаления и кормораздачи, снижается вероятность поражения животных электрическим током, уменьшаются габариты приводов навозоудаляющих транспортёров, и увеличивается их надёжность.
4. При наличии небольшого парового котла можно значительно повысить КПД установки и использовать её для получения электроэнергии и отопления помещений. При этом для освещения ферм достаточно 12-ти вольтового генератора и применения, автомобильных галогеновых ламп.
5. Использование пневмодвигателей для привода вала теплогенератора. (При этом механическая энергия вала преобразуется в тепловую).

 

Всего вышеперечисленного достаточно для создания автономного животноводческого комплекса пастбищного животноводства, а также при использовании на стационарных фермах в качестве альтернативного источника энергии.

Ко всему прочему следует добавить тот факт, что использование энергии в сельском хозяйстве носит циклический характер и большую часть времени оборудование простаивает. Например – навозоудаляющие транспортёры работают 2 раза в сутки по 1-2 часа. Доильные аппараты имеют рабочий цикл 3 раза в сутки по 2 часа. Освещение на фермах включается в основном в ночное время. Накопление же энергии происходит постоянно в течение суток. К тому же использование ветроэнергоустановки не исключает, а лишь дополняет уже существующие традиционные источники энергии. И, как видно было из расчётов, стоимость этой энергии значительно ниже электрической. Если учесть, что при строительстве небольшой фермы, необходимо строить довольно длинную линию электропередачи, стоимость которой может быть достаточно большой (до 120 тысяч на километр), целесообразность применения ветроустановок не вызывает никаких сомнений.

 

Применение пневматических накопителей в производстве.

Наиболее перспективно использовать пневмонакопители на небольших пилорамах.

Пилорамы с приводом от электродвигателей имеют значительные габариты и вес. Обусловлено это необходимостью применения тяжелого маховика и кривошипно-шатунного механизма для преобразования вращательного движения вала двигателя  в поступательное движение рамы с пилами.

В пневматической пилораме сжатый воздух воздействует на поршни, вследствие чего возникает поступательное движение. Отсутствие маховика и кривошипно-шатунного механизма значительно снижает вес, размеры, а следовательно и стоимость пилорамы.

Так для распиловки соснового кряжа диаметром 400 мм применяют пилорамы мощностью от 5 до 10 кВт/ч. При этом их вес составляет от 2 до 5,5 тонн. Пневматической пилораме для распиловки такого же по размерам бревна достаточно 1 – 2 кВт/ч энергии запасённой в сжатом воздухе. При этом вес самой пилорамы не превышает 200 – 300 кг.

Интересно применение пневматического привода для подъёма воды из скважин. Для этого применяется пневмоцилиндр, глубинный двухклапанный скважинный насос и противовес.  Такой насос может поднять столб воды высотой до нескольких километров. При этом давление на поршень не превысит 10 кг/см.

 

Использованная литература:

Кухлинг Х. Справочник по физике. Издательство «Мир» 1983 г.

 

Документ изменён: