Всемирный Форум Духовной Культуры Академик РАСХН Стребков Д. С. Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства 109456 г. Москва, 1 -й Вешняковский проезд, д. 2 e-mail: www. viesh. ru, viesh@dol. ru Fax: (+7 499) 170 -51 -01 г. Астана, Казахстан 18 -20 октября 2010 г.
1. Что делать в связи с изменением климата и глобальным потеплением. 2. Что делать в связи с энергоресурсами, которые распределены крайне неравномерно и истощаются. 3. Как сохранить стабильность в мире и обеспечить устойчивой развитие при наличии рисков, связанных с изменением климата и недостатком энергоресурсов. 4. Как обеспечить энергетическую безопасность каждой страны и глобальную безопасность. 2
Источник: Альтернативная энергетика и экология № 9, 2009, стр. 10 -12 3
Основные направления будущего развития энергетики: • Переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием возобновляемых источников энергии; • Распределенное производство энергии на региональном уровне совмещенное с локальными потребителями энергии; • Создание глобальной солнечной энергетической системы; • Замена нефтепродуктов и природного газа на жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого твердого топлива на использование энергетических плантаций биомассы; • Замена автомобильных двигателей внутреннего сгорания на бесконтактный высокочастотный резонансный электрический транспорт. 4
Глобальная энергетическая система энергоснабжения Земли. В 1975 г. Р. Букминстер Фуллер предложил соединить региональные энергосистемы в Единую энергетическую систему Земли. Эту проблему активно развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегист рированный в Калифорнии (США) [4. 41]. Президент GENI Петер Мейсен участвовал в работе Международного солнечного конгресса в Москве в 1997 г. и сделал доклад во ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Работы по передаче электрической энергии на большие расстояния ведут Сибирский энергетический институт, Санкт Петербургский государственный технический университет, ВЭИ, а также ABB, Сименс и другие фирмы. Разрабатывается энергосистема 10 южноамериканских стран, арабских государств, Балтийское и Черноморское энергетическое кольцо, линия электропередач Сибирь – Китай. Созданы объединенные энергосистемы России и стран СНГ, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран. 5
Существующие технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью 10 Гегаватт на расстояние несколько тысяч километров. Используются линии электропередач постоянного или переменного тока напряже нием , 6 1, 2 млн. В, 0 стоимость которых превышает 1 млн. долл. за 1 километр, а с учетом согласующих, регулирующих и преобразующих устройств составляет более 5 млн. долл/км. Потери электрической энергии в ЛЭП составляют 8 – 10%. Предельная передаваемая по линии электрическая мощность ограничена тремя факторами: плотностью тока 1, 0 – 1, 5 А/мм 2, связанной с потерями на сопротивлении проводов, изоляционными возможностями воздуха на уровне 1, 5 млн. В. и электромагнитной устойчивостью линии. 6
На основе резонансных методов передачи энергии создаются однопроводниковые волноводные кабельные линии, согласующие и преобразующие устройства, которые соединят генераторы и потребители энергии в каждой стране в мировую энергетическую систему. Резонансные технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью несколько тераватт на расстояния в десятки тысяч километров. 7
Исследованиями великих миграционных процессов, происходивших на Земле, занимается Международная ассоциация «Путями Великих Миграций Человечества» под руководством российского ученого Д. Б. Пюрвеева. Со времен древнего палеолита (420 тыс. лет до н. э. ) началась миграция племен из Северо восточных регионов Азии через Берингов пролив в Северную Америку. Охотники каменного века (7 – 10 тыс. лет до н. э. ) осваивали во время сезонных миграций трассы Великого Шелкового пути, который соединил страны Европы, Ближнего и Среднего Востока с Китаем и Индией. В настоящее время идет процесс возрождения Великого Шелкового пути и транспортных артерий из Юго Восточной Азии в Северную Азию и Европу. Д. Б. Пюрвеев с группой российских ученых предложил международный проект «Великое сокрестие континентов» , в котором предлагается интеграция Евразийского и Американского континентов в 21 веке [4. 42]. 8
Будут созданы трансконтинентальное системы, объединяющие транспортные и энергетические потоки, совмещающие волноводные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильной магистрали. В первую очередь это транспортная и энергетическая магистраль с Запада на Восток: Лиссабон – Владивосток и с Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам – Китай Берингов пролив – Аляска – Канада – Америка. Второй меридиональный (энергетический) поток пройдет по Великому Шелковому пути: Индия – Афганистан – Киргизстан – Таджикистан – Узбекистан – Туркменистан – Казахстан, Север Западной Сибири. Меридиональные энергетические и транспортные потоки пересекутся в Восточной и Западной Сибири с широтной энергетической и транспортной магистралью, образуя великое сокрестие Европы и Азии. 9
Третья меридиональная транспортная и энергетическая линия свяжет Кейптаун с Осло через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, со странами Восточной Европы и Скандинавии. Четвертая меридиональная энергетическая линия соединит страны Западной Африки, Средиземноморья, Западной Европы, Англию и Ирландию. Меридиональная энергетическая линия соединит страны Южной и Северной Америки. 10
Будет создана также широтная энергетическая линия в экваториальной зоне от 0° до 30° северной широты, соединяющая страны Азии, Африки и Латинской Америки. Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон – Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиальных и широтных энергетических линий обра зуют объединенную энергетическую Систему Земли. 11
Создание мировой солнечной энергосистемы позволит исключить суточную и сезонную неравномерность выработки электроэнергии и обеспечить круглосуточное и круглогодичное надежное, экологически безопасное электроснабжение потребителей энергии. При этом будет снижен парниковый эффект и уменьшено негативное влияние топливных электростанций на окружающую среду. 12
Развивающиеся страны по сравнению со странами Европы и Северной Америки имеют в 1, 5 – 3 раза больше солнечной энергии, поступающей на единицу площади территории. В третьем тысячелетии развивающие страны смогут использовать сезонное изме нение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных электростанций, в Северные страны, где солнечная энергия имеется в изобилии только с марта по сентябрь. Для этого необходимо организовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнергетические потоки в широтном направлении Запад – Восток дают возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси. 13
График суточных изменений производства электроэнергии солнечной энергосистемы Россия – Беларусь 14
Энергосистема из двух солнечных электростанций, установленных на Чукотке, пос. Марково (64° 40' с. ш. , 170° 23' в. д. ) – 1, 5 TВт, и в Мавритании (Африка) – 1 TВт, сможет круглосуточно с марта по сентябрь обеспечить все страны Африки, Ближнего Востока, Европы, России и СНГ электрической энергией (рис. 15). Годовое производство в энергосистеме составит 5431, 6 ТВт·ч. График суточных изменений выработки электроэнергии Афро-Евразийской солнечной энергосистемы, состоящей из двух солнечных электростанций на Чукотке в России (1, 5 ТВт) и в Мавритании (1, 0 ТВт) со слежением вокруг полярной оси для средних дней 12 месяцев года 15
Параметры глобальной солнечной энергетической системы Объем производства электроэнергии в глобальной энергосистеме КПД солнечных электростанций Срок службы солнечных модулей электростанций Объем производства солнечных модулей электростанций 17000 ТВт∙ч/год 25% 50 лет 100 – 300 ГВт/год Объем производства солнечного кремния 1 – 3 млн. т/год Стоимость солнечных фотоэлектрических модулей 1000 долл/к. Вт Создаются три солнечные электростанции электрической мощностью 2, 5 ТВт каждая. Площадь каждой солнечной электростанции 190 х 190 км 2 Солнечные электростанции устанавливаются в экваториальном поясе шириной от 30 о ю. ш. до 30 о с. ш. на угловом расстоянии друг от друга по долготе 120 о. Солнечные электростанции объединяются в глобальную энергосистему с помощью резонансных волноводных подземных и подводных линий электропередач напряжением 1025 млн. вольт с резонансной частотой 1 -100 к. Гц. 16
Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций. 17
Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой 18
Производство и потребление электроэнергии Среднемесячное производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой, ТВт·ч I II IV V VI VIII IX X XI XII Год 1454. 3 1440. 8 1586. 7 1501. 5 1468. 1 1373. 6 1458. 8 1534. 1 1579. 5 1531. 0 1483. 2 1405. 9 17817. 6 Ежегодное потребление электричества в Мире - 16600 ТВт·ч (2001) 19
Самая быстрорастущая отрасль бестопливной энергетики в мире с темпами роста 53% в год и объемом производства в 2009 году 12 ГВт. Солнечные электростанции с концентраторами в Калифорнии мощностью 354 МВт работают с 1980 г. и замещают ежегодно 2 миллиона баррелей нефти. 20
Критерии конкурентоспособности солнечной и топливной энергетики: • КПД солнечных электростанций не менее 25 % • Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году. • Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет. • Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 1000 долл. США • Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать один млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США/кт. • Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и 21 безопасными.
22
Источник: Photon International September 2010, p. 18. 23
Конструкции фотоэлектрических кремниевых модулей третьего поколения Фотоэлектрические кремниевые модули (ФКМ) на основе матричных солнечных элементов (МСЭ) – это интегральные устройства из последовательно скоммутированных миниатюрных СЭ из кремния с вертикальными р n переходами. ФКМ имеют высокое напряжение и низкое последовательное сопротивление и идеально подходят для эффективного преобразования концентрированных лучистых потоков высокой интенсивности. 24
Тип фотопреобразователя – высоковольтный фотоэлектрический преобразователь на основе многослойной кремниевой структуры 25
КПД ФКМ площадью 1 см 2 при интенсивности солнечного излучения 58 к. Вт/м 2 с концентратором на основе линзы Френеля составил 19, 5% , рабочее напряжение 18, 4 В, рабочий ток 58 м. А. 26
В конце 2009 году была изготовлена опытная партия ФКМ по усовершенствованной технологии в количестве 100 штук для проведения испытаний в составе солнечных концентраторных модулей. Ввиду отсутствия солнечных дней в этот период испытания МСЭ проводились на импульсном имитаторе с ксеноновой лампой. Фотоэлектрический кремниевый модуль на основе матричных солнечных элементов в оболочке из стекла. Размеры ФКМ 10 60 0, 4 мм, 25 солнечных микроэлементов Фотоэлектрический модуль с планарными СЭ электрической мощностью 60 Вт. Размеры 1200 540 мм, 36 солнечных элементов 27
Интенсивность излучения 102 к. Вт/м 2, КПД 24% Вольтамперные характеристики ФКМ размером 10 60 0, 4 мм при различной освещенности, на рис. 6, 7 – зависимости тока к. з. и КПД от интенсивности излучения при освещении импульсной ксеноновой лампой. Измерения вольтамперных характеристик и КПД проводили на импульсном имитаторе к. ф. -м. н. Арбузов Ю. Д. и д. ф. -м. н. Евдокимов В. М. , на концентрированном солнечном излучении к. т. н. Беленов А. Т. , к. т. н. Майоров В. А. и к. т. н. Тверьянович Э. В 28
Федеральная служба РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам выбрала из 42000 российских патентов 100 лучших, в число которых был включен патент на рассматриваемый СЭ третьего поколения и технологию его изготовления. Технология производства нового СЭ подготовлена к условиям массового производства, не требует применения серебра, сеткографии, фотолитографии и других трудоемких операций. 29
30
Современные процессы полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят в ближайшие годы увеличить КПД преобразования концентрированного солнечного излучения на кремниевых солнечных элементах до 25 30%. 31
В ГНУ ВИЭСХ разработана новая технология, материалы и технологическое оборудование для сборки солнечных фотоэлектрических модулей с увеличением срока службы солнечных электростанций в два раза с 20 25 лет до 40 50 лет. Новая технология повышает КПД за счет снижения рабочей температуры модуля и позволяет создавать фотоприемники концентрированного излучения с большим сроком службы. Солнечный модуль изготовлен с применением нового типа заполнителя модифицированного полисилоксанового геля, обеспечивающего улучшенные оптические параметры, расширенный диапазон эксплуатационных температур и удвоение срока службы модуля. Температурный диапазон эксплуатации: от 60 до + 60 С. Предполагаемый срок эксплуатации модуля более 40 лет. Годовая экономия электроэнергии на производстве модулей мощностью 1 МВт не менее 70560 к. Вт/час. Увеличение объема производства электроэнергии при эксплуатации СЭС за счет увеличения срока службы с 20 до 40 лет составит 20 миллионов к. Вт ч для СЭС 1 МВт и 200 миллиардов к. Вт ч на мировой объем выпуска 10 ГВт. 32
Солнечный фотоэлектрический модуль с увеличенным сроком службы с 20 до 40 лет Предназначен для прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию Может быть использован для комплектования отдельно стоящих фотоэлектрических станций, в качестве архитектурных элементов (крыши и фасады), а также в составе установок с концентрированными потоками солнечной энергии. 33
Предлагаемый модуль изготовлен по новой технологии с применением нового типа заполнителя - модифицированного полисилоксанового геля, обеспечивающего улучшенные оптические параметры, расширенный диапазон эксплуатационных температур и увеличенный срок службы модуля до 40 лет ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ Температурный диапазон эксплуатации: от - 60 до + 260 С. Предполагаемый срок эксплуатации модуля - не менее 40 лет. Годовая экономия электроэнергии на производстве модулей мощностью 1 МВт не менее 70560 к. Вт·час 34
СЭС 1 ГВт в Туркменистане. Предлагается Мега проект строительства солнечной электростанции мощностью 1 ГВт в пустыне Каракум, Туркменистан, и линии передачи электрической энергии на Урал и в Европейскую часть России. Размеры СЭС 35 км 2, стоимость СЭС 6, 5 млрд. долл. Проект позволит создать 20 000 новых рабочих мест в энергетике и смежных отраслях промышленности. Проект включает строительство завода в Туркмении по выпуску энергоблоков СЭС с концентраторами солнечной энергии общей мощностью 150 МВт в год на основе новых российских технологий. 35
Месячная и годовая производительность фотоэлектрической СЭС 1 ГВт в пустыне Каракум, Туркменистан, млн. к. Втч: Ориентация панели I II IV V VI VIII IX X XI XII Год 136, 0 114, 8 74, 0 55, 7 1293, 6 Стационарные панели, ориентированные на юг Наклон 30 о 61, 8 72, 0 91, 6 108, 7 137, 1 142, 1 148, 6 151, 2 Панели со слежением за Солнцем Полярная ось 74, 8 87, 2 111, 2 135, 3 182, 4 195, 5 204, 0 209, 2 182, 1 149, 3 91, 7 67, 2 1689, 9 Две оси 77, 3 87, 9 111, 5 137, 5 191, 4 209, 4 215, 3 213, 1 182, 2 151, 1 94, 8 70, 2 1741, 7 36
Резонансные волноводные ЛЭП Для передачи электрической энергии от СЭС предлагается использовать резонансную однопроводниковую кабельную волноводную систему, разработанную в ГНУ ВИЭСХ на основе технологии Н. Тесла. 37
В проекте солнечной электростанции используются три не имеющие аналогов в мире инновационные технологии ГНУ ВИЭСХ: 1. Технологии высокоэффективных двухсторонних матричных солнечных элементов на основе кремния с КПД до 20% (по сравнению с 12 15% на заводах России и Европы) при концентрации 5 – 500. 2. Технологии герметизации и сборки солнечных модулей (СМ) со сроком службы до 40 лет (по сравнению с 20 25 годами для всех других СМ). 3. Конструкции и технологии сборки стационарных фацетных концентраторов. 38
Сравнительные характеристики энергопотребления в зданиях, к. Вт. ч/м 2. год. Россия Финляндия, Швеция Германия Новые стандарты 600 -800 130 260 70 39
Энергосбережение в зданиях 1. Новые технологии активной теплозащиты зданий с использованием вакуумной теплоизоляции толщиной 7 мм позволяют увеличить поступление тепловой энергии в зданиях на 500 к. Вт ч/м 2 год и снизить потери энергии в зданиях на 25 30%. 2. В летние месяцы ваакумная теплоизоляция позволит на 30% снизить затраты на кондиционирование зданий. 40
Конструкции солнечных фасадов с вакуумированными стеклопакетами 41
Вакуумная теплоизоляция 7 мм при вакууме 10 -3 мм рт. ст. обеспечивает перепад температур 42
Тепловая энергия, полученная от воздушных солнечных коллекторов на фасаде здания в отопительный период и потребление тепловой энергии на отопление в жилой квартире Город Тепловая энергия, полученная от солнечных коллекторов*, ГДж/к. Вт • ч Потребление тепловой энергии в квартире**, к. Вт·ч Москва 12965, 4/3601, 5 4750 Сочи 22210, 2/6169, 5 4750 43
44
Использование тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения 1 к. Вт·ч электроэнергии за счет энергии окружающей среды создает тепловую энергию в тепловом насосе типа: Воздух – воздух Вода – вода Вода – солнечный коллектор – вода Вода – солнечный фотоэлектрический модуль – вода 3 к. Вт. ч 5 к. Вт. ч 10 к. Вт. ч 16 к. Вт. ч 45
Распределенное производство энергии. 46
47
Биодизельное топливо из растительной биомассы. Потенциальный ресурс растительной массы для энергетического использования ~ 100 млрд. т. В настоящее время в мире для энергетики используется около 1 млрд. тонн растительной массы, что эквивалентно 25% мировой добычи нефти. Доля биомассы в мировом потреблении энергоресурсов – 12%, в России – лишь 3%. 48
Сравнительные данные производства масла-сырца в расчете на гектар площади Тыс. литров масла /га Кукуруза 0. 2 Хлопок 0. 3 Соя 0. 5 Подсолнечник 0. 9 Рапс 1. 2 Кокос 2. 7 Пальмовое масло Водоросли 6 95 49
Способы выращивания микроводорослей Существуют два принципиально отличающихся способа выращивания микроводорослей – в открытых и в замкнутых системах. В первом случае культивирование водорослей осуществляется в прудах и бассейнах различных конструкций и в качестве источника освещения используется солнечный свет. Другой способ включает закрытые фотобиореакторные системы с искусственным освещением. Промышленное выращивание микроводорослей в открытых прудах Выращивание микроводорослей в фотобиореакторах 50 50
Морские энергетические плантации для получения биотоплива из одноклеточных растительных структур: фитопланктон, диатомовые водоросли, хлорофиллы, время культивирования урожая которых составляет от 8 до 24 час. 51
Перспективные направления технологии выращивания энергетической биомассы микроводорослей Для крупномасштабного производства биомассы перспективно объединение открытого и закрытого способа выращивания. Двухфазовая технология выращивания микроводорослей • Фаза 1. Фотобиореакторы могут быть эффективно и экономически целесообразно использованы для производства высококачественного инокулята суспензии клеток, являющихся исходными для клеточной культуры • Фаза 2. Последующее внесение инокулята в выростные пруды открытого выращивания и получение промышленных объемов энергетической биомассы. 52 52
Биомасса Годовое использо-вание биомассы в мире эквивалентно потреб-лению 1 млрд. тонн нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля. 53
Энергетические установки, использующие биомассу, отходы могут дать столько же энергии, сколько все атомные станции в России, и они имеют почти нулевые выбросы диоксида углерода и серы, то есть являются экологически чистыми. Получение и использование этого топлива, а также смесевого и модифицированного топлива позволит пополнить энергобаланс сельских предприятий и регионов и в значительной мере снизить зависимость от централизованных закупок ископаемого топлива и электроэнергии. 54
ВЫХОД БИОТОПЛИВА ИЗ СУХОЙ БИОМАССЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПИРОЛИЗА Технология Температура и время процесса Фракции биотоплива Жидкое Древесный уголь Газ Быстрый пиролиз 600º С 75% 12% 13% Медленный пиролиз 400º С 30% 35% Газификация 800º С 5% 10% 85% 55
Образец мини-ТЭС электрической мощностью в диапазоне 30 -100 к. Вт с модулем пиролиза производительностью 1 тонна растительного сырья в сутки 56
Установка для получения смесевого водомазутного топлива производительностью 2 т/час 57
Три главные проблемы современной электроэнергетики • создание сверхдальних линий передач с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости; • увеличение пропускной способности линий; • замена воздушных линий на кабельные однопроводниковые волноводные линии и снижение затрат меди в 20 50 раз. 58
Передача электроэнергии сопровождается потерями, составляющими в среднем 8, 8%. Суммарные потери электроэнергии в мире превышают объем ее производства в такой стране, как Китай (3433, 4 ТВ • ч) Средние величины расходов электроэнергии на собственные нужды электростанций и ее потерь в СПР по некоторым странам мира, % Страны или их объединения Расходы электроэнергии на собственные нужды станций Потери электроэнергии в СПР Расходы электроэнергии на аккумулирование Всего Индия 6, 9 25, 0 0, 0 31, 9 Мексика 5, 0 16, 2 0, 0 21, 1 Бразилия 3, 4 16, 6 0, 0 20, 0 Россия 6, 9 11, 8 -0, 6 18, 1 Китай 8, 0 6, 7 0, 4 14, 7 ЕС-27 5, 3 6, 7 0, 4 12, 5 США 4, 8 6, 2 0, 2 11, 2 Канада 3, 2 7, 3 0, 0 10, 5 Япония 3, 7 4, 6 0, 3 8, 7 Весь мир 5, 3 8, 8 0, 2 14, 3 Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA 644 pp 59
Реализация факторов развития новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в энергетике будущего до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80 – 90%. Доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии 60
Скачать презентацию Всемирный Форум Духовной Культуры Академик РАСХН Стребков Д
Глобальные энергетические технологии.СОКРАЩ.ppt