Проф. д-р инж. Георги Тончев

Съгласно множество оценки (при наличния воден отток у нас и при редица компромиси с екологичните норми) възможните нови завирявания, водосборни и линейни съоръжения позволяват от нови  ВЕЦ, работещи на воден пад, да се произведат още около 500 GWh годишно. Потенциалът на слънчевата и вятърната енергия е не малък, но засега е икономически неефективно неговото широко използване. За минималното покритие на поетите от Р България международни ангажименти е необходимо да се произвежда след 2008 г. още 4100 GWh електроенергия от възобновяеми източници (ВЕИ), което едва ли ще бъде възможно, поради икономическата неефективност на несубсидираното ползване на конвенционалните ВЕИ. Поради факта, че водата е 800 пъти по-плътна от въздуха, то при еднакви други условия, кинетичната водна енергия произвежда 800 пъти повече полезна мощност от ветровата  енергия.

Хидрокинетичният ресурс на големи реки е почти целогодишно на разположение (например, за р. Дунав в българското течение е средно над 90% ефективната му годишна използваемост и се определя на около 10 милиарда kWh годишно). За сравнение ще посочим, че годишната използваемост на най-съвременните турбини, произвеждащи електроенергия от океански приливи и отливи е от 40 до 60% . Средното  натоварване на ВЕЦ-овете у нас  е едва 20% от номиналния им капацитет. Те се ползват по-малко от евентуални бъдещи централи, експлоатиращи ветрови и слънчеви ресурси, като същевременно са по-капиталоемки от ефективни хидрокинетични съоръжения. Конвенционалните ВЕЦ имат редица недостатъци от гледна точка на опазване на природната среда при изграждането, завиряването и експлоатацията на водосборните и линейните съоръжения; съпътствано с осушаване на земеделски площи по следязовирното течение на реките; с дълготрайно ангажиране на земи; с прокарване на временни и постоянни пътища; изсичане на гори; извършват се и редица други дейности, които трайно (често и необратимо) нарушават екологичното равновесие.

Енергийната реализация на водната кинетична енергия не изисква никакви завирявания и водосборни съоръжения. С това се избягват всички екологични проблеми, свързани с тяхното строителство и експлоатация.  Хидрокинетичните енергийни инсталации и централи се монтират непосредствено в реки и канали, включително и на закотвени в тях понтони. Те не променят речните русла и не понижават водните нива. Затова не осушават земеделските земи, не повлияват естествения воден отток и не вредят на речните и крайречните екосистеми. Такива съоръжения се монтират бързо, а управлението и диспечеризацията им може да става автоматично и/или дистанционно. Използването на хидрокинетичния ресурс за преобразуването му в полезна енергия (например: за производство на електроенергия, за пряко изпомпване на вода за напояване, за пиене, за възстановяване на влажни зони край р. Дунав и др.) има редица положителни ефекти:

• Намаляване разхода на фосилни и ядрени горива в енергетиката като цяло, съответно емисиите от парникови газове и другите вреди, нанасяни от ТЕЦ, АЕЦ, газови ЕЦ и конвенционални ВЕЦ, както и

• Приходи от международната търговия по механизмите от Протокола от Киото за сметка на намалените вредни емисии от енергопроизводството.

• Намаляване вноса на изчерпаемите дефицитни първични енергоизточници и зависимостта на енергетиката ни от тях

• Хидрокинетичните електроцентрали нямат разходи на енергия за собствени нужди, ограничават се загубите при преноса на енергия, избягват се високоволтови електропроводи, както и техните вредни електромагнитни полета.

• Енергийната ефективност на хидрокинетичната енергия е висока. Хоризонтален воден поток със сечение 1 м2  при скорост 2 м/s носи брутна мощност 4 кW  Затова  инвестициите и разходите за производството на полезна енергия са сравнително малки при същевременно нулево екологично замърсяване по време монтажа и експлоатацията на хидрокинетични ВЕЦ.

• Екологичният риск от повреди на хидрокинетичните съоръжения при аварии, тероризъм и природни бедствия  е практически нулев.

• Спестяват се "външните разходи" за неутрализиране на вредните въздействия върху екосистемите и въздуха, които нерядко са значително  по-големи от разходите за самото производство на енергията от фосилни горива.

• Всяко едно хидрокинетично съоръжение може да заработи веднага след монтирането му в течаща вода. Посочените, както и други, екологични и енергийни ефекти са неизменни през целия срок на работата на хидрокинетичните съоръжения

Главният технически проблем за широкото използване на хидрокинетичния ресурс у нас е липсата на технически опит при изграждането на хидрокинетични централи в глобален мащаб. Поради това внедряването на такива е невъзможно, защото не се предлагат подходящи съоръжения, като турбини, генератори със съответните трансмиссии и т.н. По нашите авторски разработки предвиждаме необходимото оборудване за такива електроцентрали и помпени станции да се произвежда изцяло в България, с което можем да имаме водеща позиция най-малко сред крайдунавските държави. Като втори проблем е отсъствието на проучвания на водните басейни,  подходящите за ефективни хидрокинетични централи. Всички хидрокинетични разработки съдържат иновативни технически, технологични и методологически решения, регистрирани в Патентното ведомство на Р България (# 106 981, # 107 453 и  # 107 458). повече за хидрокинетичните електроцентрали може да прочетете тук, а по-долу е подробно обяснено как се постига висока ефективност на хидрокинетичните турбини, работещи при нулев воден пад.

начало

Проф. д-р инж. Георги Тончев

При водонапорните централи се използва кинетичната енергия на водата, за сметка на изкуствено създадения воден пад. Това е една високо екстензивна хидротехнология, която не включва пълноценно ползването на всички природни свойства на водата. При съвременните имплозивни технологии ефективността на хидрокинетичните електроцентрали (ХКЦ) може да стане по-висока от тази на ВЕЦ. Ползването на водната енергия е познато от древността. Например, чрез частично потопени водни колела на повърхостта на водно течение, било речно, било на приливите и отливите или друго. Тези, и подобни на тях, технологии са изоставени, защото не са ефективни. При водните колела само част (потопената) от ротора върши полезна работа, макар и съпроводена с немалки загуби от съпротивление.

Хидроенергийният потенциал на едно речно течение не зависи от броя и завиряването на язовирите по него, а от дебита и денивелацията на реката. Само движеща се вода може да върти турбините във ВЕЦ. Заприщването и спирането на водата и последващото й пускане към турбините по изкуствени деривации, тръби и други съоръжения може да се избегне. Това става чрез преобразователи на кинетичната енергия на свободното водно течение (например напълно потопени турбини), които се монтират направо в реките. А това има поне два положителни ефекти: първо е значително по-евтино и второ - напълно природосъобразно.

Съществена принципна разлика между конвенционалните ВЕЦ и хидрокинетичните е, че турбините във ВЕЦ използват ЕДНОКРАТНО постъпващата вода с висока енергийна плътност, в резултат на изкуствено създадения воден напор, а предлаганите технологии  за ХКЦ използват МНОГОКРАТНО безнапорно течащата вода с естествено ниска енергийна плътност.

Имплозивните технологии дават възможност да се постигне висока плътност на каскадно монтираните ротори по дължината на течението. Така се компенсира ниската енергийна плътност на свободното водно течение и то без да се нарушават речните е крайречните екосистеми. Естествената схема на хидрокинетичните електроцентарали (ХКЦ) е да следва главната дименсия на реката. (Реките са хиляди пъти по-дълги отколкото широки). По аналогия с напорните водни турбини, едно конвенционално разсъждение може да стигне до заключение, че веднъж минала през ХКТ, водата губи голяма част от енергията, която носи. А нова възможност да се използва кинетичната й енергия може да има на известно разстояние след лопатките – примерно 2-3 роторни диаметъра.

В това заключение има известна логика от следната гледна точка: Част от постъпващата кинетичена енергия на водата в ХКТ се преобразува в полезна мощност и на изхода на турбината кинетичната енергия е по-малка, отколкото на входа. Това би могло да бъде вярно само при едновременното изпълнение на поне две предварителни уговорки. Първата е, че водата пред и зад турбината не взаимодейства с околното водно течение, т.е. системата е напълно изолирана от външни въздействия (например - затворена в тръба система, каквато тя изобщо не е). И съгласно втората уговорка - преобразуваната енергия да е изцяло за сметка на разликата в кинетичните енергии пред и зад ХКТ, дължащи се само на разликата в аксиалните скорости на водния поток пред и зад турбината. Измерванията, обаче показват, че няма съществена разлика в тези скорости, а водният поток след турбината неизбежно придобива една нова - тангенциална скоростна компонента. Тя е следствие на инерцията на водата, витлообразно завъртяна от лопатките.

Линейното постъпателно водно течение, успоредно на надлъжната ос на ротора, не е най-изгодно за преобразуването му във въртящ момент на турбината, което в крайна сметка е и тяхната основна функция. Най-популярните теоретични модели на ветрови и хидрокинетични турбини определят най-високия К.П.Д. на роторите при напречното им разположение във флуидния поток. Съгласно модела на Бетц токовите линии на потока имат обща ос на коаксиална симетрия и тя съвпада с оста на ротора, а равнината на въртене на лопатките (ротора) сключва прав ъгъл с надлъжната ос на турбината, която е паралелна на вектора на скоростта на флуида. При този идеализиран случай теоретичният максимум на механичния К.П.Д. на турбината се получава 59.3%., при условие че скоростта на флуида след ротора е една трета от тази на входящия флуид. Други автори използват различен подход от този на Бетц. Съгласно модела на А. Горлов, оптималният ъгъл на потока към равнината на ротора не е прав, а е 49 ⁰, при което се получава максимален К.П.Д. на турбината, когато “пропускливостта” на роторната равнина е 60%. Но и двата модела не отчитат в достатъчна степен факта на неизбежното завъртане на флуида след преминаването му през роторната равнина, т.е. винтовидното му движение след лопатките. Те изобщо не разглеждат тангенциалната компонента на скоростта. А нашите експерименти показаха, че винтовидното движение има известно влияние дори и на потока преди ротора. Степента на това влияние зависи от плътността, вискозитета, свиваемостта, скоростта и други параметри на флуида, както и от ъгловата скорост, стъпката на лопатките, усукването им, дисковото съотношение и други характеристики на турбината.

Първият приложен ефект на имплозивната технология е възможността да се конструират роторни каскади с намалено аксиално растояние между тях. Така увеличаването на плътността на роторите на ХКТ е не само възможно, но е много по-хидродинамично ефективно, в сравнение с правотоково работещи последователни ротори. Първият ротор завърта водата, преминаваща след него и тя попада под оптимален ъгъл към въртящите се обратна посока лопатки на втория ротор. По този начин, не външно действие (например гравитацията), а част от кинетичната енергия на аксиалното движение на водата завърта първия ротор, който от своя страна придава въртеливото витлообразно движение на водата между двата ротора. Така постъпващата енергия, в резултат на аксиалното движение на потока, извършва две полезни дейности. Едната е самото въртене на първия ротор, а втората функция на същия ротор е в качеството му на въртящ се насочващ апарат, който оптимално да направлява водата към втория близко разположен ротор. Може би е противно на конвенционалната логика, но два близки паралелни ротори (двуроторна каскада), работещи в противоток, са определено по-ефективни от правотоково въртящи се ротори, при същите условия. Така се получава и по-висок К.П.Д. на каскадата, основаващ се на първия имплозивен ефект. И това е многократно практически доказано при самолетни и хеликоптерни ротори и при някои видове водни турбини, работещи на нисък и/или нулев воден пад. А знаем, че почти всички типове водонапорни турбини имат имат направляващи апарати, в повечето случаи стационарни, които изпълняват само втората функция на първия ротор в каскадата.

Колкото по-бързо се въртят лопатките от воден поток, перпендикулярен на роторната равнина, толкова векторът на тяхната относителна скорост (спрямо обтичащата ги вода) пресича хордата на дадено напречно сечение на лопатките под все по-малък ъгъл на атака. С увеличение на роторната периферна скорост този ъгъл достига нулеви и отрицателени стойности и респективно въртящите сили падат до минимум, за сметка на увеличените аксиални сили, които не вършат полезна работа, а само увеличават натоварванията върху каскадната кострукция. Подобен ефект има не само увеличаването на оборотите, но и увеличаването на растоянието на съответното напречно сечение на лопатката до центъра на въртене-оста на турбината. Затова, при постоянни обороти, роторите с големи диаметри често са неприемливи технически решения за повишаване мощността на турбините, защото пада К.П.Д.. Роторните лопатки (импелери) не могат да имат такива геометрични форми, размери, ъгли и радиално усукване, за да се избегне генерално този проблем, дори и да са с регулируема стъпка на лопатките.

Вторият имплозивен ефект решава този проблем аналогично на отдавна влязло в практиката решение от аеродинамиката (при свиваеми флуиди).  Двуроторните коаксиални каскадни пропелери на самолетите и хеликоптерите се състоят от два близко разположени паралелни ротори, които се въртят в противоположни посоки (в противоток).Те не си пречат, а си помагат за увеличение на тягата. Вторият ефект от приложението на  имплозивната технология при несвиваеми флуиди (като водата) позволява без външни сили, само чрез промяна (посредством първия ротор) на постъпателното движение на водата във витлообразно постъпателно да се постигат значително по-високи обороти. Те са в резултат на оптималното векторно разположение на резултантната скорост (която обтича лопатката), като векторна сума от съставляващите я скорости на витлообразното водно течение и периферната на лопатките. Така се максимизират получените въртящи сили и минимизират невъртящите. Крайният резултат е по-висока полезна мощност на втория ротор и на каскадата като цяло. При това част от енергията, изразходвана за принудително завъртане на водата,  пряко се оползотворява благодарение въртеливото движение на същия ротор.

Тук следва да отбележим едно съществено природно свойство на водата. Тя има естествена склонност лесно да образува водовъртежи, което можем да забележим при изтичане на насъбралата се вода в кухненска мивка. Разбира се въртенето се провокира от външна сила - гравитацията, която за Северното полукълбо винаги предизвиква въртене по часовниковата стрелка и обратно - за Южното полукълбо. При каскадата външната сила не е гравитацията. Силата на инерцията на витлообразно движещта се вода и нейната практическа несвиваемост са две напълно достатъчни причини, поради които потокът преодолява късото разстояние до втория ротор без винтообразното му въртене да спре. А чрез промяна на аксиалното растояние между роторите може да се поддържа максимален общ К.П.Д. и на двата ротора в каскадата, при различни обороти и аксиални водни скорости. Техническото изпълнение на аксиалното преместване на единия спрямо другия ротор става чрез сравнително просто конструктивно решение.

Механичната мощност на всеки ротор се изчислява по следната формула:

Мощност = оборотите Х въртящ момент

Както видяхме по-горе, оборотите на противотоково въртящ се ротор могат да се увеличат значително, без да се стига до нежеланото минимизиране на въртящите сили. А те са пропорцианални на квадрата на скоростта на водата, обтичаща импелерите, съгласно известната формула на Кута – Жуковски, което означава по-висока мощнаст, получавана за сметка на високи турбинни обороти. Забележете - по-високата скорост на обтичане зависи не само от скоростта на течението, а и от оборотите, постигнати от конструкцията на импелерите и каскадата като цяло. 

В резултат на втория ефект, автоматично се стига до едно важно конструктивно предимство на бързо въртящите се лопатки. Те якостно се оразмеряват за по-малки огъващи моменти при една и съща мощност и други механични параметри, в сравнение със същите лопатки, но при по-ниски обороти. При постоянна мощност ниските обороти се компенсират от по-висок въртящ момент (виж формулата по-горе), което е конструктивно неизгодно. А бързо въртящите се лопатки ще бъдат направени значително по-леки, по-дълготрайни и по-технологични в производството и от неметални (често и значително по-евтини) материали. Периферните скорости на роторите са невисоки, дори и при по-високи обороти. Затова центробежните сили не са големи и не изискват оразмеряване на лопатките за висока якост.

Други полезни за ХКТ природни енергийни свойства на водата са нейните практическа несвиваемост и непрекъснатостта на водния поток. Водата се свива само под въздействието на голямото налягане от 1 100 Мегапаскала. На практика това налягане не може да бъде надминато и водата се смята за несвиваема. Противодействащото на това голямо налягане  се нареча молекулно налягане на водата.

Посочените свойства, са присъщи на водата и се дължат на големите междумолекулни сили в нея, които малко се използват в конвенционалните ВЕЦ. При тях ускоряване на водния поток се постига чрез по-голям воден пад, т.е. по чисто екстензивен път (който понякога се нарича експлозивен, в противовес на имплозивния). Именно междумолекулните водни сили (и съответната вътрешна енергия) дават възможност на речния поток бързо да самовъзстанови енергийните си качества, без водата да се свива при преминаването си през рторите, дифузорите, концентраторите и другите турбинни елементи и аранжименти. Линейната (аксиална) постъпателна скорост на водното течение малко се променя след преминаване през лопатките, но то добива и тангенциалната скорост. Именно тангенциалната компонента предизвиква въртенето, а силата на инерцията на въртенето от своя страна провокира желано преразпределение на вътрешната водна енергия. Принципно - преразпределението е в полза на кинетичната енергия, за сметка на намалената вътрешна водна енергия, без да се променя плътността на водата. На пръв поглед имплозивната хидротехнология е в противоречие със закона за запазване на енергията. Но той е в сила за затворени системи, а в разглеждания случай такава няма, тъй като става въпрос за отворена система под значителното външно въздействие на околотурбинното водно течение и с едновременното действие на вътрешната водна енергия. Да не забравяме, че минаващата през роторите вода е много  по-малко по количество от общия околен воден поток. В този смисъл, може да кажем, че кинетичните турбини, макар и пряко да се въртят от преминаващата през тях вода, то непряко околното течение “помага” за повишаване мощността на последователно разполжени ротори по течението.

Четвъртият имплозивен ефект е свързан с комбинирани начини за придаването на въртеливо витлообразно движение на водата. То се постига чрез различни синергични комбинации. В разгледаните по-горе примери, то става от първия ротор, ползван и като въртящ се направляващ апарат. Но може да става и на принципа на куршума във винтовката. Винтообразни канали (изпъкналости) в концентраторите и/или дифузурите завъртат водния поток преди всеки ротор. Всички, така да ги наречем, завъртащи водата ефекти, могат да действат поотделно и/или синхронно, в съответствие с конкрентна каскадна схема.

Като пети ефект, ще отбележа факта, че при въртеливото движение на водата, се наблюдава подобен на Вентури ефект, независимо дали това става във, винтово нарязана или не, тръба на Вентури, дюза на Лавал или при извънтръбно течение. При витлообразно постъпателно движение на водния поток, той има естествено свойство да намалява сечението си и съответно да си увеличава кинетичана енергия, за сметка на потенциалната молекулна енергия. Всички знаем, че всеки въдовъртеж има смукателен ефект(както и при въздушния вихър на торнадото). Смукателният ефект се дължи точно на пониженото налягане (намаляването на вътрешната потенциална енергия в мястото на въртеливото движение). При това е установено експериментално и леко спадане на температурата на водата, което означава, че и част от охлаждането се преобразува в кинетична енергия. Не е логично, но е известно, че водата има най-голяма плътност не в точката си на замръзване (0 ^o Целзий), а при положителна температура от 4 ^o . Повече за имплозивните технологии може да видите тук.

По-високите обороти на турбината, при съблюдаването на подкавитационно обтичане на лопатките, не зависят само от постъпателната и въртеливата компоненти на скоростта на водата. Те зависят от стъпката на роторите, която се определя от ъглите и усукването на лопатките по радиуса им. В оптималните проекти тези ъгли са изчислени така, че при сравнително ниски скорости на течението и двата ротора в каскадата да работят с оптимални обороти. Тази оптимизация се основава на факта, че скоростта на обтичането е векторен сбор от скоростта на водата (въртяща се или не) и скоростта на ротора, която пряко зависи от оборотите му. С други думи, възможно е и при ниска скорост на потока да се постигнат сравнително високи обороти на турбината.

Разгледаните пет ефекта заедно с избрани оптимални съотношения обороти / въртящ момент, обороти / скорост на течението и други технически и технологични оптимизации и иновации са техническата основа на реализираните конструкции на каскадни турбини. Благодарение на тях, те са напълно природосъобразни, енергийно ефективни, компактни и сравнително евтини, което гарантира конкурентна цена на произвежданата електроенергия и бързото възвръщане на инвестициите.

начало

Описаните хибридни централи се основават главно на технологиите, съгласно описание # 106949, регистрирано през 2002 год в Патентно ведомство на Р България. На основание на лабораторни тестове и математическа оптимизация на електроенергийните, аеродинамичните и механичните характеристики на технологиите са намерени най-подходящите за българските климатични условия варианти за внедряване на хибридните електроцентрали. С използването на разработените технологии са направени действащи лабораторни прототипи на различни инсталации за производство на електроенергия и е доказана практически най-високата ефективностт на ноу-хауто на варианта, който е описан в горецитирания документ.

Типичната ветро-слънчева инсталация се състои от трилопатъчна ветротурубина с плосък хоризонтален ветроускорител, върху който е монтиран преобразувател на светлинната енергия в електрическа. Същата технология се ползва и при хоризонтална хеликална турбина с два ускорителя. Инсталации с вертикално разположение на генераторите по стълбове и връзката с електрическите мрежи с подземен кабел ангажират много малък терен и не пречат на ползването на земята за други (например земеделски) нужди.

От теорията е известно, че КПД на една енергопреобразуваща ветрова инсталация е максимален при точно определено съотношение на скоростите (V1/V2) на входящия и изходящия потоци. Това съотношение е 3:1 за вeтрови преобразувател с хоризонтална ос на ротора и КПД не зависи от скоростта на вятъра V. Също е известно, че отдаваната мощност от един такъв преобразувател зависи от третата степен на скоростта V1.

Технологията, посредством регулиращите елементи/ускорители, поддържа винаги оптимален режим на инсталацията, както по отношение на КПД, така и по отношение на мощността, което позволява ветровата й мощност да бъде около два пъти по-висока, отколкото при известните ветрови инсталации, при еднакви други климатични условия. При 30% ускорение на вятъра пред турбината мощността й се увеличава над 2 пъти. Повече за ветроускорителите може да прочетете тук.

Конвенционалните ветрови електроцентрали произвеждат сравнително скъпа електроенергия. Цената на kWh варира от 4 до 8 щатски цента. Като долната граница на цената е за ветровити райони, а горната е за такива, каквито има у нас. При ползването на разработените технологии само за ветрови инсталации, цената на един kWh спада до 2.5-5 цента, в зависимост от ветровите условия.

Себестойността на 1 kWh електроенергия произведен от въглища у нас е над 2 цента. При тези данни не се взема под внимание факта, че разходите за неутрализиране на замърсяването от изгарянето на въглища за производството на 1 kWh електричество е между 3 и 6 цента, в зависимост от вида на въглищата. Дори и при изгарянето на екологично най-чистото гориво–природния газ, разходът за неутрализация на вредните емисиите, отделяни при производството на 1 kWh е 0.5-2 цента.

Практическа приложимост на технологиите и ноу-хау то

В перспектива дефицитните енергогорива ще поскъпват, паралелно с темповете на тяхното изчерпване. А ползването на неизчерпаемите и екологично чисти енергийни източници, като слънцето и вятъра, ще става икономически все по-конкурентно. Затова перспективната приложимост на разработените инженерни технологии много бързо ще нараства.

Известните вятърни, слънчеви и хибридни електроцентрали нямат чисто икономически предимства, в сравнение с тези, работещи на конвенционални горива. Но заради екологичните им преимущества, тяхното използване и експлоатация се субсидира в индустриално развитите държави..

В сравнение с всички известни досега технологии за ветрови, слънчеви и хибридни инсталации, техническите предимства на представените инженерни технологии дават безспорни икономически преимущества на всички инсталации, където те се ползват. Затова те могат да бъдът икономически конкурентни в редица случаи спрямо централи, работещи на въглища и някои други традиционни горива. От екоенергетична гледна точка предлаганите технологии са без конкуренция.

Изчисление на началната инвестиция

За ветровите генератори

В България нямаме опит при проектирането, строителството и експлоатацията, нито на вятърни, нито на слънчеви електроцентрали. Приемаме средна евроцена за инвестиционните разходи за вятърна централа около $1 200 на киловат инсталирана мощност и при включване на турбината при скорост на вятъра 6 м/с . При тези данни цената на един квч произведена електроенергия е между 4 и 5 US цента. Използването на ноу-хауто и съответните технологии изисква монтирането на ветроускорители, които оскъпяват инвестицията с около 10%, т.е. тя става $1 320 на киловат конвенционална инсталирана мощност.
А. Eксперименталните данни, получени от прототипите, показват че при 9 % ускоряване на въздушния поток само с един регулатор, мощността на ветрогенератора с увеличава 1.3 пъти .
Б. Това също означава, че генераторите ще включват не при 6, а при 5.5 м/с скорост на вятъра.

Ветровите данни показват, че в интервала 5.5-6 м/с с ускорител турбината ще работи ефективно около 1.1 пъти по-дълго време, през което вятърът е с 9% по-ниска скорост от средната. На практика разходите по управление и експлоаация ще бъдат същите.

Резултатантен ефект от А и Б.

От двата ефекта на технологиите - общо се получава около 1.43 пъти по-висока инвестиционна ефективност на новите технологии, спрямо конвенционалните, което редуцира цената от $ 1320 на $ 923 (1320 / 1.43=923) на киловат инсталирана мощност и и то при включване на турбината при скорост на вятъра 5.5 м/с, без да се отчита по-високия КПД при всички режими на работа. Експериментите показаха, че турбината може да се включва към електропреносната мрежа и при скорост на вятъра под 5 м/с, благодарение на ветроускорителите. Дотолкова, доколкото изчисляваме с минималните технологични ефекти, то цената $ 923 на киловат инсталирана мощност с работещи ветрорегулатори, смятаме за горна граница на инвестицията. Затова можем да смятаме за минимални икономическите ефекти в таблици 1, 2 и 3.

За слънчевата генерация

Цената на слънчевата генерация е около $ 8 000 на киловат инсталирана мощност, но в този случай тя се намалява, тъй като цената на основите, опорите, въртенето и управлението на слънчевите клетки, всъщност изпълняват същевременно и функцията на подвижен ветроускорител, въртящ се вертикално и хоризонтално едновеременно. Затова цената спада до около $5000.

По закон, инвестициите и разходите за присъединяване на подобни обекти към мрежата на НЕК са за сметка на НЕК, а произведената енергия се изкупува 100%. За разлика обаче от ВЕЦ, в случая (за вятъра и слънцето) не се плаща ежегодно водно право и не е нужно да се съблюдава водния дебитен режим, който е задължителен за всеки ВЕЦ. Също, не е необходим лиценз за обекти до 5 мегавата инсталирана мощност.

Ноу хау за оптимизация на съотношението ветрова Рв към слънчева Рс инсталирана мощност

Това е универсален оптимизационен математически модел, който се прилага преди проектирането и разработването на детайлен бизнес план за всяка площадка на хибридна електроцентрала.

Безспорно, това зависи от конкретниите райони, където ще се строят централите. Очевидно е, че слънчевото греене в нашите географски ширини, средногодишно е многократно по-малко по време, в сравнение с целогодишните денонощни ветрови условия. Затова за оптимизационен критерий на хибридната инсталация избираме цената на конвенционална ветрова инвестиция.

Оптимизацията естествено зависи и от инвестиционната цена В и С в долари за киловат, съответно на Рв и Рс в киловати. Оптимизационното уравнение има следния вид :

Рв х В + Рс х С = (Рв + Рс) И,
където И е цената на инсталацията в долари за киловат и е равна на средната инвестиция за един киловат конвенционална ветрова електроцентрала.

Ние установихме, че горната граница на ветровата инвестиция е В = $ 923, а С= $ 5000. От оптимизационното уравнение можем да изчислим, например че разпределението на ветровата Рв и слънчева Рс инсталирана мощност за един стълб, е съответно 250 и 20 киловата при цена И =$ 1200 = 2400 лв. При тази цена и това оптимално разпределение на мощностите са направени изчисленията в таблици 1, 2 и 3 за пресмятане на инвестиционните показатели. Следва да отбележим, че без оптимизиция на съотношението на мощностите Рв и Рс, в никакъв случай не може да се гарантира пълният икономически и екологически ефект от хибридната електроцентрала .

Максимизиране на ефекта от електроенергийния бизнес с хибридна електроцентрала

Описаният по-горе оптимизационен подход показа как да се максимизира ефекта от инвестицията. Не винаги оптималната инвестиция е оптимална и от експлоатационна гледна точка, а това безусловно влияе и на рентабилността на бизнеса като цяло, не само в периода на възвръщаемост на инвестицията, но и още по-силно - след това. Затова годишните експлоатационните разходи за 1 kW инсталирана мощност (за i –тата година Еi) са не по-маловажен критерий, отколкото стартовата инвестиция. Това безспорно е стандартна съставна част от всеки бизнес план, но в случая не се изчислява при някакви начални параметри на инвестицията, а предварително се оптимизира бизнеса, при което се фиксира най-рентабилното отношение Рв /Рс не само в периода до възвръщане на инвестицията, но и след това.

За периода на възвръщане на инвестициите n ще се натрупат експлотационни разходи равни на n x Еi x (Рв + Рс), а след това ще изминат още m години до пълната амортизация на стратовите капитални инвистиции, при което ще бъдат направени още експлоатационни разходи, равни на m x Еi x (Рв + Рс), а за целиа период се получават разходи равни на (n +m) x Еi x (Рв + Рс),

Оптимизацията естествено зависи и от инвестиционната цена В и С в долари за киловат инсталирана мощност, съответно на Рв и Рс в киловати. При това получаваме оптимизационната система от три уравнения, която има следния вид:

Рв х В + Рс х С - (Рв + Рс) х И = 0

Еi - Еiв = 0

S – {[Рв х В + Рс х С + (n +m) x Еi x (Рв + Рс)] / (n +m) х Wi} = 0 ,

Където Еiв са годишните експлоатационните разходи за инсталацията в долари за киловат и са равни на средните за конвенционална ветрова електоцентрала. S е себестойността в долари на един киловатчас електроенергия, произведена от конвенционална ветрова инсталация, а Wi е средногодишното производство на електроенергия (в киловати) от хибридната централа.

начало

☞ Ветровата енергетика става бизнес у нас

Проф. д-р инж. Георги Тончев

Българската вятърна енергетика е в зората на своето развитие. У нас ветровите русерси не са като в Дания и Германия, например, но има много райони, които са средно подходящи за ветрови електроцентрали. Независимо от това - все още нямаме големи ветроенергийнни електроцентрали, свързани към енергиийната ни система. Причините са ясни. Няма субсидии, а изкупната цена е по-ниска от себестойността на вятърната електроенергия.  В началото на 2003 г. изкупната цена на Националната елекропреносна компания (НЕК) бе  6 ст. за киловатчас от водните електроцентрали, а  по средата на същата година бе  8 ст. Най-ниската цена за киловатчас от мащабни ветроцентрали в САЩ и Европа е между 3.5 и 5 евроцента. Такива стойности се постигат, когато средната скорост на вятъра около 1.2 – 1.4 пъти по-висока от тази у нас. Затова с използването на известните масови технологии на ветрогенераторите, при съпоставими технически параметри, ветроцентралите у нас ще произвеждат  по-малко електричество в годишен разрез и то ще бъде по-скъпо, поради което времето за откупуване на инвестицията ще бъде по-дълго. Предимство за България е, че земите са многократно по-евтини, отколкото тези, на които са построени ветрогенераторите в Дания, Германия, Гърция  Великобритания и т.н. И тъй като в инвестицията влиза и земята или правото и за дълготрайното й  ползване, то като цяло ветроенергетиката може да стане бизнес и у нас. За това допринасят четири нови съществени моменти в закона за енергетиката.

1. От 2003 година изкупната цена е вече 12 ст. без ДДС за киловатчас ветроелектроенергия и ще продължава да расте с ръста на цените на дребно. По закон е предвидено, че изкупната цена не може да бъде по-ниска от 70% от цената на дребно за бита. От началото на 2007 година изкупната цена на тока, генериран от вятърни електроцентрали достигна 9 евроцента за киловатчас и ще продължава да расте.

2. За всеки произведен киловатчас от възобновяем енергиен източник може да се издава зелен сертификат, който е продаваем, включително и предварително по договор, независимо от това на кого се доставя ветроелектроенергията. Печалбата от зелените сертифика е равна на приходите от цената им, защото за тях не се правят разходи. Всички разходи влизат в себестойността на  електроенергията. Повече за зелените сертификати и другите механизми за парични стимули вижте тук.

3. Съществена преференция за ветроенергийния бизнес е законовото задължение на НЕК да изкупува 100% произведената вятърна еленергия.

4. Законово задължение на НЕК е да изгражда или да заплаща изграждането на необходимата присъединителна мрежа до мястото на ветренергийното съоръжение.

Посочените редица предимства за ветроенергийния бизнес у нас не могат да бъдат променени, поради вече затворената глава Енергетика от преговорите ни с ЕС, където отдавна има по-големи преференции. Това гарантира устойчивото покачване на стимулите за ветроенергетиката в България. Тенденцията за повишаване на цената на енергията, у нас и глобално, не се очаква да се обърне. Всички знаем, че нашата енергетика е зависима от голям процент внос на първични енергоизточници. Цената на еленергията ще нараства, дори и след влизането ни в ЕС, заради милиардите, необходими за погребването на затворените реактори в АЕЦ, за които стана ясно, че няма да получим достатъчни компенсации от ЕС.

Рискът на ветронергетиката е в трудната й предсказуемост. Единственият подход за минимизиране му е внимателното и детайлното предварително анализиране на ветровите условия, които зависят от релефа, ландшафта и редица други особености не само на конкретно избраното място, но на и голям район около него. Само така могат да се изберат подходящи ветрогенератори, за да се увеличат печалбите от този бизнес и да се скъси срокът за изкупуване на инвестицията.

През последните години енергийни инвеститори се насочиха към използването на водните ресурси у нас, чиято експлоатация законово също се стимулира. Принципната разлика с ВЕЦ е, че началните инвестиции са много по-високи при водните централи и тяхното изграждане е свързано с много сериозни проблеми като например за регулираното многоцелево използване на водите, каквото при вятърната енергетика няма, както не се плаща и водно право и не се изграждат никакви спомагателни съоръжения като деривации, язовири и т.н..

При очакваното развитие на цените на еленергията и при местно производство на повечето елементи на ветровите електрогенератори, началните инвестиции за вятърната електроенергетика ще бъдат сравнително ниски. По-долу представеният проект е правен за локално елпроизводство и е технологично съобразен с възможностите на българската промишленост. По принцип всеки ветроенергиен проект е строго специфичен. Петвариантността на приложения проект е наше “ноу-хау”, разработено и изпитано на прототипи, и предназначено да покрие широки ветрови диапазони. Но тази многовариантност се отнася само до ротора, който е предвиден за масово производство. Всичко останало- като се почне от фундаментите на стълбовете и се свърши до автоматиката и наладката е съвършено различно, което се вижда и от различните номинални мощности от 5 до 13 киловата.                                                   

☞ Пeтвариантен аеродинамичен проект за ветрова турбина, съобразена с българските ветрови условия

Инж. Рая Младенчева

1. Цел на проекта

Разработване на нова аеродинамична форма на лопата за хоризонталноосев ветрогенератор със средна дължина от 9 – 10m, за  постигане ниско индуцирано съпротивление и намален шум при сравнително ниски обороти и произвеждащ висока мощност при скорост на вятъра от 5 – 7m/s.

2. Aеродинамичния проект

За проектирането на 10 метрова, 3 лопатова вятърна турбина е използван профил МН – 102. В аеродинамичния проект се прилагат теорите за поелементен анализ на лопатите и роторната оптимизация. Теоретичната максимална граница на ефективност, съгласно физическия модел на Бетц, определена от теорията на въртящ се диск, се получава, когато скоростта на изходящия от турбината ветрови поток е 1/3 от скоростта на несмутения. Теорията на оптималния ротор се основава на този математически извод и дава едно отимално решение за проектирането на лопатата, което сме алгоритмизирали, за да изчислим основните параметри на ротора:

• профил на лопатата
• радиус на ротора
• броя на лопатите
• оптималното отношение на периферната скорост на лопатите към несмутената скорост на вятъра при изчислителна скоростт  на вятъра
• геометрични данни за ротора
• план-форма на лопатата
• дължина на хордата
• усукване на лопатата по радиуса
• стъпка на ротора
• приплъзване

За получаването оптимално КПД на турбината в работни условия може да се използва теорията на поелементния анализ на лопатата. Съгласно анализа КПД на лопатата е безмерен коефициент С р, който се изчислява по долната формула, където Р е произведената мощност, А е площа обхваната от лопатите при въртенето им и V₀ е скоростта на несмутения поток.

        (1.1)

Максималната стойност, съгласно модела на Бетц е C_p e 0.593.

Важна величина за проектирането е отношението на периферната скорост на лопатите към несмутената скорост на вятъра Х. Х е отношение между скоростта при върха на лопатата ωR към скоростта на несмутения поток V₀, при което R е радиусът на лопатата, а ω е ъгловата скорост на въртене на лопатите.

                (1.2)

За постигането на ниско индуцирано съпротивление, следователно и намален шум, в проекта е предвидено турбините да работят при сравнително ниски обороти, съобразени и с ветровите скорости в България. Преобладаващите скорости на вятъра са от 5 – 7m/s в повечето приемливи за електрогенерация ветрови зони у нас. При такива ветрове проектираната турбина постига максимална полезна мощност.

Профилът МН – 102 на фигура 1 е избран с такова напречно сечение на лопатата, каквото е проектирано за ветрогенератори със средни размери. Този профил дава голяма аеродинамична сила при ниско съпротивление. Наранявания върху повърхнината на лопатата, водни капки, замърсявания и грапавини почти не влияят върху КПД на турбината с профил МН – 102 на лопатите.

Фигура 1.1. Профил МН -102

Таблица 1. Координати на профил МН -102

Изчисленията по теорията на идеалния ротор дават по-дълга хорда на профила на лопатата от избраната в проекта. Така се постига  по-висока изходна мощност за средни по сила ветрове и ниски обороти. С избраната форма КПД на лопатата е 0.533, който е само с 1% по-нисък от този с форма на теоретично идеалния ротор.

Фигура 1.2. Финален проект на дължините на хордата и на лопатата

Фигура 1.3.  КПД на турбината спрямо броя на лопатите.

Избраните 3 броя лопати дават максимална стойност за Ср. 

Фигура 1.4. КПД на турбината спрямо отношението на периферната скорост на лопатите към несмутената скорост на вятъра.

Таблица 3: Финална проектна спецификация

Необходимо е да се предвидят превантивни мерки при проектирането на турбината при въртящ момент, причиняващ големи усилия на натиск при големи скорости на вятъра. Те могат да доведат до повреди на стълба и лопатите на турбината. Турбината е проектирана така, че да спре, когато скоростта на вятъра достигне до скоростта на изключване. Като пример (колона 4), при скорост на въртене 60 оборота в минута, турбината ще се изключи при скорост на вятъра 11 m/s.

Използваният алгоритъм в проекта, може да се развие и за други изисквания и да бъде използван при всякакви условия на работа на турбината.

начало

начало

Инж. Мария Георгиева

Замърсяванията от  градския транспорт (автобуси, таксита и т.н.), както и от десетки хиляди бензинови леки автомобили ежегодно нарастват. През последните години приблизително  48%   от цялото количество  азотни окиси (NОx), малко над 54% от въглеродния окис (СО)  и 24% от изпаряващите се въглеводороди (НС) са от транспортния трафик. Вредните въздействието на тези емисии са класифицирани в таблицата.В следствие на високото октаново число на природния газ (134 в сравнение със супербензина - 95 ) става възможна висока степен на сгъстяване  (приблизително до 13,5:1). Така в автомобилите на газ к.п.д.  е  по-добър спрямо бензиновите двигатели, при което не са необходими принципно конструктивни  изменения спрямо стандартния бензинов двигател. Навлизането на газовата технология,  спрямо  другите алтернативни методи за задвижване, е осъществима с относително малък разход на технически и финансови средства.

Природният газ, като моторно гориво, се отличава с много висока степен на сигурност. Той е по-лек от въздуха и има една сравнително висока температура на възпламеняемост  650 °C. Затова, спрямо досега разпространените автомобили, опасността от злополука  при потенциални изпарения е явно много по незначителна. Освен това  резервоарите за съхранение на газ под налягане са снабдени с техника за обезопасяване, чрез която дори при пътно произшествие или възпламеняване на превозното средство, се контролира изтичането на газа. Природният газ е около два пъти по-евтин от пропан – бутана като автомобилно гориво. И още по-евтин от бензина. На долната диаграма е показано въздействието от изгарянето на различни  горива за разширението на озоновата дупка в стратосферата. 

начало

Съвременните автомобили не се отличават концептуално от своите прадеди построени от Карл Бенц и Готлиб Даймлер. При всяко спиране или само забавяне на скоростта, те погасяват кинетичната си енергия и я разсейват като безполезна и дори вредна топлина в околното пространство. Съшевременно, през цялото време на работа на двигателя, с отработилите му газове се изхвърля голяма част от енергията на горивото.  

За борба със загубите при спиране, наред с електрохибридните двигатели, през последните няколко години все по ускоряващо се развиват хидравлични хибридни двигателни установки за МПС. При тях, в двигателната сиснема на МПС се вгражда хидравлична машина. Тя нагнетява хидравлична течност под високо налягане в хидравличен акумулатор и така действайки като хидравлична помпа (тоест спирачка) осъществяваща неинтензивните спирания или забавяния на МПС-то, при което трансформира кинетичната му енергия в потенциална енергия на хидравличната течност с високо налягане. При последващото потегляне или ускоряване на МПС-то, управляващият електронен модул насочва хидравличната течност с високо налягане от хидравличния акумулатор към хидравличната машина, която започва да работи като хидравличен мотор, който подпомага основния двигател на МПС-то и оползотворява акумулираната кинетична енергия.

Подобна система беше представена на Детройтското автошоу през 2002 г. от алианс между компаниите Ford,  Visteon и Eaton. Тяхната система наречена Hydraulic Launch Assist (HLA) бе демонстрирана на новото поколение големи пикапи Ford F-350 Tonka и показа икономии на гориво и намаляване на вредните емисии достигащи до 25% при изпитания по стандартния в САЩ градски цикъл US FTP 75. Ръководствата на трите компании предвиждат голям успех за системата и прогнозират скорошно разрастване на пазара за такива системи до 500 милиона долара годишно. Австралийската компания Permo-Drive Technologies разработи подобна система наречена Regenerative Drive System (RDS), която показа икономии на гориво и емисии до 33%. Американската армия се заинтересува както от икономическите и екологичните ефекти на системата, така и от възможностите и за повишаване автономността на армейските машини, чрез по-дългия пробег със същото количество гориво. Системата беше високо оценена от управлението за транспортна и бронирана техника на американската армия (ТАСОМ) и беше одобрена за масово прилагане, като се стартира с новото поколение от т.н. средни военни тактически машини (FMVT), които ще наследят известния Hummer. В тази връзка през май 2003г. бяха подписани договори между  Permo-Drive Technologies, Dana Corporation (един от основните доставчици на армията) и американската армия за по-нататъшно развитие и доставки на RDS. Общ проблем обаче и на RDS и на HLA е, че при равномерно движение на МПС-то те не извършват никаква полезна функция и се явяват своеобразен баласт, както в техническо така и в икономическо отношение (цената на съответната система).

Другата голяма “класическа” енергийна загуба в МПС-тата, както се отбеляза, са отработилите газове на двигателя. С тях, в атмосферата се изхвърлят неизполвани над 30% от енергията на горивото. Познати са турбокомпаундни системи, които оползотворяват тази енергия за двигателна сила. Поради редица специфики обаче на процеса на извличане на топлинната енергия и трансферирането й в механична, турбокомпаундните системи са слабо ефективни, тежки и сложни. Прилагането им при малки МПС с неравномерен режим на движение (като леките автомобили например) е още по неефективно и затруднено. Затова те намират приложение само при някой магистрални камиони на Scania и Volvo, както и при някои модели на Isuzu.

В съвременните МПС-та има и множество спомагателни хидравлични системи за облекчаване на водача, механизиране на товаро-разтоварни дейности и т.н. Сервоуправлението вече е стандарт дори и при малки леки автомобили, хидрозадвижваните лебедки се срещат все по-често при джиповете и товарните автомобили, а хидравличните товаро-разтоварни устройства са масови отдавна. Всички те обаче водят до увеличен разход на гориво и увеличени вредни емисии. Те се дължат най-вече на постоянното задвижване на хидравличните помпи на тези системи. Например всяко сервоуправление води обикновено до поне 5% увеличаване на разхода и емисиите.

Новото българско изобретение Интегрална многофункционална система за МПС (ИМФС или IMFS) изпълнява едновременно функциите на всички гореописани системи, като чрез интегрирането им избягва и специфичните им проблеми. Едни и същи в по-голявата си част възли на ИМФС оползотворяват спирачната енергия по същия начин както RDS и HLA, но работят и като ефективна турбокомпаундна система. По този начин независимо от режима на движение ИМФС винаги работи полезно и не е баласт в нито един момент. Паралелно с това системата осигурява хидравлична течност с високо налягане за сервоуправлението и/или за други спомагателни хидравлични системи. Обединяването на всички тези функции в една система драматично намалява нейните относителни себестойност, сложност и тегло. Вледствие на това тя е приложима не само при камиони и пикапи, но дори и при малки леки автомобили. Прототипите на системата асемблирани от случайни възли втора употреба показаха намаляване разхода на гориво и вредните емисии до 24 %. Компютърните симулации сочат, че в случай на специално проектирана и изработена система, намаляването на консумацията и емисиите може да достигне 45-55%. Характерно за ИМФС е че тя е съвместима и мултиплицира ефекта от всички нови технологии в областта на автомобилостроенето, като използване на екологични горива – втечнен пропан-бутан, природен газ, водород и т.н. директно впръскване на горивото, променливи фази на газоразпределение и др. По подробно с ИМФС може да се запознаете като кликнете тук.

За разлика от други интересни български изобретения, за ИМФС вече е осигурена широка международна патентна защита. Освен у нас (патент № 63128), системата вече е патентована в САЩ  (US Pat. # 6,539,711) и в Европейския съюз (EU Pat. # 1144824), и е в процес на патентоване в страни с развита автомобилна индустрия. Патентната защита на ИМФС е особенно ценна с оглед на нейната техническа широкообхватност. Практически всяко едно съчетаване на RDS или HLA със турбокомпаундна система и/или със спомагателна хидравлична система е покрито от патентите за ИМФС. Тоест, ИМФС “държи ключа” за по-нататъшното развитие и на  RDS и на HLA.

начало

Инж. Людмила Иванова

Стремежът за поевтиняване на отоплението за сметка на ползване на безплатни природни енергийни източници винаги е цел на всеки общински, фирмен и семеен и бюджет. Постепенното изчерпване на фосилните горива (въглища, нефт, природен газ и техни производни), неминуемата тенденция към повишаване на тяхната цена в недалечна перспектива, както и очевидният факт, че добиваната по този начин топлинна енергия е свързана, малко или повече, с непоправимо увреждане на околната среда, отново правят актуална темата за търсене на алтернативни природни енергийни източници. Земносвързаните термопомпени инсталации (ЗТИ). ЗТИ не произвеждат топлина Благодарение на обратния хладилен процес термопомпата, задвижвана от електродвигател, отнема подпочвена топлина с по-ниско температурно ниво и я пренася в помещението, като я отделя при значително по-високо температурно ниво. Това е противоестествено на природните закони и не може да стане напълно даром. Цената е разходът на електроенергия за задвижване на помпа, която да “премести” подземната топлина. Средно разходът на електроенергия за помпите, спрямо получаваната полезна топлина е 1 към 4., което означава, че ако консумирана мощност е 1 киловат, то отоплителната мощност е 4 киловата.

 ЗТИ могат да работят като отоплители и охладители. Те работят през лятото, в режим на охлаждане, с около 30% по-висока ефективност от въздушните климатици. Това се получава, защото те отдават топлина не към 30 0 С въздух, а към 14-150 подпочвена топлина. През зимата, при отрицателни външни температури, въздушните климатици са още по-неефективни, а под -5 0 повечето от тях спират работа. Високите подпочвени води в Русе имат температура, варираща от 11-15 0 в годишен разрез. Тази топлина при ниски зимни температури на въздуха се “пренася и уплътнява” чрез незамръзващ топлоносител и компресор като служи за отопление на помещения и за затопляне на вода, а през лятото може да се използва за климатизация, когато външната температура на въздуха е висока – 300 С и повече. На долната диаграма са сравнени цените за отопление със ЗТИ и традиционните системи.

Антипазарната ценова политика в областта на енергетиката, некомпетентното и безхаберно разпиляване на енергията отпреди години навярно са причината за практически пълната липса на термопомпени инсталации у нас. И сега, покрай бързо навлизащите климатизатори, за пръв път имаме възможност да ползваме този евтин начин за отопление, включително и в жилищни сгради. Докато климатизаторите използват като източник на топлинна енергия окръжаващия ни атмосферен въздух, специализираните термопомпени инсталации работят още с кладенчова или речна вода, както и с топлина от земните недра. При термопомпите, използващи топлина от земните недра, в почвата на дълбочина 1-1,5 m има вкопан тръбен змиевик с обща дължина до около 100 m. В него тече замръзващ при ниска температура воден разтвор (антифриз), който се използва за топлоносител. При ограничена територия се използва сондаж с дълбочина до около 100 m. По подобен начин, чрез тръбен змиевик, се използва и топлината от подпочвените води – например от близко разположен кладенец. Тези термопомпи по принцип са пълноценни отоплителни инсталации с акумулатор за „складиране“ на получената топлинна енергия, тръбна мрежа за топлоносителя (вода), отоплителни радиатори, автоматика и т.н. Те са  по-скъпи, но и коефициентът им на полезно действие е най-висок.Втора по-значение след ЗТИ е ефективността на слънчевите системи за отопление на вода и по-рядко за отопление на сгради през преходните сезони, които у нас не са дълги. Тези системи са познати и затова тук не ги разглеждаме.

Дефицитът на фосилните енергоизточници неминуемо се увеличава, независимо от конюктурните цени на петрола. Затова е нереалистично е да се очаква, че енергията някога ще поевтинее. Атомната енергия е свързана с проблема за съхраняване на радиоактивните отпадъци. Вятърът и водата не достигат, за да бъде задоволен гладът на човечеството за енергия. Крайно време е да се обърне повече внимание на единствения засега неизчерпаем източник на енергия: слънцето.

Енергията е двигател на цивилизацията. Но човечеството е изправено пред опасността източниците за нея да се изчерпят. Полезните изкопаеми - нефт, газ, въглища - намаляват. Образували се в продължение на милиони години, за 200 години ние ги изровихме, изкопахме, изсмукахме със сонди. Според прогнозите на петролните магнати нефтените залежи биха стигнали за още 40 години, а спорeд актуално проучване на фирмата Ludwig Bolkow Systemtechnik - само за още 20-30 години. Банковите институции считат, че при тази ситуация цените на петрола ще скочат още един път двойно през следващите три години.

Вероятно децата ни, но със сигурност нашите внуци ще бъдат свидетели на края на епохата на нефта. Търсят се алтернативни решения за намиране на енергийни източници, защото всички досегашни традиционни форми за добиване на енергия имат своите недостатъци. Те или оставят след себе си опасни радиоактивни отпадъци (атомната енергия), или променят климата на планетата (въглищата). Има достатъчно ветрени, водни и слънчеви източници на енергия, но техниката за производството є чрез тях е много скъпа, затова засега те покриват едва 2,5 % от енергийните нужди на планетата.

Освен това не бива да се пропуска фактът, че населението на земята непрекъснато се увеличава. Ако преди 100 години то е наброявало един милиард, през 2000 г. земните жители са вече около шест милиарда, а през 2010 г. се очаква броят им да достигне около осем милиарда. За да разберем какво означава това, можем да дадем за пример Китай, където 1,2 млрд. души се придвижват през огромната страна с три милиона автомобила. Ако там съотношението между населението и броя на колите е като в развитите страни, би трябвало да има 700 млн. леки коли. И неизбежно възниква въпросът: откъде ще се вземе горивото за тях?

Бъдещето на човечеството зависи от това с какво количество енергия то ще разполага. Отговорите на този въпрос трябва да бъдат намерени още сега - в краткосрочен, както и в дългосрочен план.

Щефан Колер, директор на Германската агенция за енергетика, създадена от Федералното министерство на икономиката на Германия и Кредитния институт за въз-становяване, е разработил енергийна програма за следващите няколко години. Експертът в областта на енергетиката залага на следната ясна последователност при осъществяването є:

Първата стъпка за осигуряване на едно по-добро енергийно бъдеще трябва да бъде направена още сега и всеки може да допринесе за това: става въпрос за по-ефективното използване на енергията при строителството на жилища. Вероятно това е последният ни шанс, за да можем да спазим обещанието си за опазване на околната среда. До 2012 г. вредните емисии на въглероден двуокис, които водят до повишаване на температурата на земята, трябва да бъдат намалени с 21 % спрямо 1990 г. В техническо отношение отоплителните системи на жилищата под наем са в много по-лошо състояние, отколкото в собствените жилища. За да може този проблем да бъде решен, трябва да бъдат намерени необходимите средства.

Около 80 % от енергията, изразходвана за битови нужди, все още отива за отопление, като голяма част от нея просто излита през прозорците. Около две трети от тази енергия би могла да бъде икономисана чрез по-добра топлоизолация на външните стени, пода и мазетата на сградите, както и чрез използването на прозорци с топлоизолационни стъкла. Федералното министерство на строителството на Германия ще отпусне 400 млн. марки за оздравяване на старите жилища, но специалистите са на мнение, че тази сума е като капка върху горещ камък: “Необходимите инвестиции за осъществяването на подобни намерения са от порядъка на 12 до 20 млрд. марки годишно”, констатира д-р Волфганг Файст, директор на Passivhaus-Institut в Дармщат. При това техническите възможности са многообещаващи. В съвременните условия с помощта на висококачествена топлоизолация е възможно да бъдат построени сгради, които могат да минат и без отопление. За уточнение - става дума само за ново строителство. Оптималната топлоизолация на сградите е един от пътищата. Другият е внедряването в тях на отоплителни системи от напълно нов тип.

Втората стъпка трябва да бъде направена през следващите три-четири години. “Тогава на пазара ще станат конкурентоспособни децентрализираните системи като електрохимичните генератори, които произвеждат електричество и топлина с много по-висок КПД”, споделя г-н Колер. Отказът от ядрена енергия ще започне от мазетата на сградите. Реакцията на гърмящия газ, която е в основата на електрохимичния генератор, е известна на всеки от учебника по химия - водородът и кислородът се съединяват и при реакцията се отделя голямо количество енергия. Този факт е открит още през 1839 г. (много преди теорията за деленето на атома), но едва сега, благодарение на модерната техника, “големият взрив” може да бъде овладян. Тъй като производителите на автомобили също са заинтересовани от електрохимичния генератор, съществува голяма конкуренция при научните изследвания, която скоро ще създаде предпоставки за икономичното є прилагане в стационарни и мобилни съоръжения.

С високия си коефициент на полезно действие - над 80 %, електрохимичният генератор е с “няколко дължини” пред другите методи за превръщане на енергията. При модерните електроцентрали, които работят на въглища, той например е два пъти по-нисък. Но в случая само “пещта” е нова: необходимото гориво - газът водород, и занапред трябва да се добива от подземните енергоизточници (предимно от природния газ).

На следващия етап - като трета стъпка, на дневен ред идва слънцето: лъчите му могат да произвеждат топла вода, но също така директно и ток. За това е необходим друг елемент - слънчевата батерия, върху която се работи от десетилетия. Налагането є като масов продукт трябва да стане до 2020 г., най-късно до 2030 г., макар че пътят за разработването и усъвършенстването є продължава да е труден и много от първоначалните очаквания не са изпълнени. “Във всеки случай през последните 15 години цената на съоръженията със слънчеви батерии е паднала с близо 50 %”, споделя Ролф Диш, водещ архитект в областта на соларната техника в Германия. Собственото му жилище, наречено “хелиотроп”, не само изглежда като пренесено от бъдещето, но доказва, че днес могат да бъдат осъществени строителни обекти, които произвеждат повече енергия, отколкото консумират.

Германските железници също са започнали да монтират слънчеви батерии на покривите на някои гари. Създадена е специална група за проектиране “Солар”, която проучва възможностите за използване на придобитата от слънцето енергия за нуждите на железницата.

Но слънчевата енергия не бива да остане само на покрива на “хелиотропа” на Диш, затова четвъртата стъпка е оборудването на големи площи със съоръжения за “улавяне” на слънчевите лъчи в регионите, където излъчването на нашия основен светлинен и топлинен източник е най-силно и където блестящите синкави ареали биха пречили най-малко на населението. Получената по този начин електрическа енергия би могла да служи за разделяне на водата на водород и кислород, като полученият водород бъде транспортиран с кораби или магистрални тръбопроводи до потребителите. Специалистите предполагат, че това ще бъде осъществено до 2050 г. В момента в Исландия се изпитват възможностите за оползотворяване на водорода, макар и на основата на топлината, отделяна от земята, и на водната сила. Щефан Колер е убеден, че когато петролът поскъпне още, ще дойде редът на слънчевата батерия.

Дотогава обаче предстои да бъде извършена още много изследователска работа. Слънчевата батерия трябва да стане по-ефективна, по-надеждна и преди всичко да функционира по-икономично. При това в бъдеще размерът на елементарните частици ще играе решаваща роля. Благодарение на най-новите покрития с полупроводникови наночастици, чиято големина е само една милионна част от милиметъра, може да се очаква икономия на разходи в размер на 80 % в сравнение с използваните днес силициеви технологии за производството на слънчеви батерии. Разработена е нова концепция за чувствителни на цветове нанокристални полупроводникови покрития, която е довела до увеличаване на КПД дори при слабо дифузно осветление - решение, което е идеално за региони с оскъдно слънце.

Поощрение за производството на повече ток от слънчева енергия представлява програмата на федералното правителство на Германия “100 000 покрива със слънчеви батерии”. Заявки за инсталации с обща мощност от 50 MW се подкрепят с изгодни кредити от Кредитния институт за възстановяване. Други заеми се отпускат по Извънредната програма за производство на електроенергия от слънцето. Строителите на къщи със слънчеви батерии също получават отстъпки съгласно енергийния закон. Така например големите потребители трябва да плащат по 99 пфенига за KWh на дребните производители. Тези, които досега са имали на покрива си инсталация със слънчеви батерии като източник на алтернативна енергия, са допринасяли повече за опазване на околната среда, отколкото за увеличаване на финансите си, защото инвестирането в такава инсталация се е оказало нерентабилно. Но от април 2000 г. всеки kWh, който те произвеждат с инсталациите си със слънчеви батерии, но не използват за собствени нужди, а подават в националната електрическа мрежа, ще им бъде заплащан по 99 пфенига. Ако бъде ползван кредит от правителствената програма “100 000 покрива”, инсталацията би се изплатила от само себе си. Съгласно тази програма на покривите на домовете могат да бъдат инсталирани съоръжения за слънчева енергия с мощност 300 MW. Едно 4-членно семейство се нуждае годишно от около 300 kWh. Тази нужда може да бъде покрита от инсталация за 4 kW.

“При добиването на ток от слънчевата енергия обаче не бива да попадаме в клопката на субвенционирането”, предупреждава Колер. “Това означава да живеем само от помощи”. Защото историята на енергетиката доказва недвусмислено: само това, което наистина си струва, в крайна сметка си пробива път”.

Сметищен газ

Сметищният газ се образува в резултат на бактери­ологичното разлагане на органичната компонен­та на битовите отпадъци в четири фази:

I фаза - Аеробно разграждане. Аеробни бактерии изпо­лзват наличния кислород за разделяне на дългите въгле­водородни вериги.

II фаза - Киселинна фаза. След изчерпване на количе­ствата кислород процесът на разграждане става анаеробен и бактериите преобразуват продуктите от предишната фаза в оцетна, млечна и мравчена киселина и алкохоли като метанол и етанол.

III фаза - Метанова фаза. Тя настъпва, когато опреде­лени видове анаеробни бактерии започнат да използват органичните киселини от предишната фаза и формират ацетати, което води до намаляване па киселинността. По­явяват се бактерии, които произвеждат метан.

IV фаза - Същинска метанова фаза. Тя започва, когато отделянето на сметищен газ достигне относително посто­янно ниво и трае повече от 20 години след затваряне на сметището.

Съставът на сметищния газ според проучвания на сме­тища в САЩ и Великобритания е представен в следната таблица:

Сметищният газ се образува при повишена температура (около 10-20°С по-висока от тази на околния въздух) и във влажна среда, поради което съдържа наситени водни пари 1-7 об. %. Неразреденият сметищен газ има калорийна стойност от 15 до 21 МJ/Nm³ в зависимост от съдържанието на метан или около половината от тази на природния газ (39 МJ/Nm³). Най-важната и с енергийна стойност компонента на сметищния газ е метанът, който е разтворим във вода н образува експлозивни смеси с въздуха при концентрация от 4,9 до 16%. Той е горлив газ и е основна съставна част на природния газ (над 90%). Метанът е токсичен газ н има задушаващо действие. Скоростта и количествата на отделяне на сметищен газ зависят от:

- Морфологичният състав на сметта  - колкото по-голяма е органичната компонента в сметта, толкова повече сметнщен газ се отделя.

- Възраст на отпадъка - по-скоро положените отпадъци отделят повече газ. Върховата стойност на отделен газ обикновено се достига след 5-та до 7-та година от полагането на сметта.

- Присъствие на кислород - метанът започва да се произвежда едва след като се изчерпят количествата кислород в тялото на сметта. Сметта трябва да се компресира добре и да не се разравя след нейното полагане.

- Съдържание на влага - съдържанието на влага интензнфицира процеса на биологично разграждане. Оптималното влагосъдържание е 40-50%.

- Температура - през лятото се наблюдава леко увеличаване на количествата отделян газ, а през зимата то леко намалява. След като се е образувал в тялото на сметището, сметищният газ се придвижва и го напуска по следните начини:

- дифузия - газовете в сметището се преместват от места с висока към места с ниска концентрация.

- конвекция - газовете, акумулирани в сметта, създават площи с по-високо налягане и се придвижват към повърхността.

- разтворимост - метанът е разтворим във вода газ и може да се отделя в малки количества и чрез получавания инфилтрат.

Сметищата са най-големият източник на метан, произведен вследствие дейността на човека. Метанът е един от най-силните парникови газове с 21 пъти по-голям ефект върху глобалното затопляне в сравнение с въглеродния двуокис за 100-годишен времеви хоризонт и неговото изгаряне намалява вредното въздействие на сметищата върху околната среда. Ефектът от изгарянето на метан се изразява и в заместване на произволните на нефта горива. Оползотворяването на сметищен газ води до намаляване на миризмата в районите около сметището и намаляване на опасността от образуване на експлозивни смеси в затворени пространства (най-вече сградите на самото сметище). Не е за пренебрегване и икономическият ефект от оползотворяването на газа, изразен в производство на енергия и създаване на работни места.

Оползотворяване на сметищния газ

Използването на сметищен газ като биологично гориво може да бъде икономически ефективно при определени условия. Ефективността иа един такъв проект зависи от количеството отделян газ, избраната технология за оползотворяването му и пазара на продукцията. От друга страна, изискваните по закон периодични замервания (мониторинг) на отделения газ се осъществяват за целите на управление на инсталацията и не се заплащат допълнително.

Възможни са различни схеми за оползотворяване:

Ø                  Директна употреба на биогаза.

Предимство са малките изисквания към пречистване на газа, но от съществено значение е наличието на производствени мощности или консуматори, които да го оползотворяват:

- Производство на топла вода в котли за нуждите на определен процес или топлофициране на жилища и отопление на парници.

- Изгаряне в пещи за изпичане на тухли, за производство на цимент, стъкло и др.

Ø                  Обогатяване на сметищния газ до качествата на природен

Необходима е система за пречистване и увеличаване на съдържанието на метан. Такива инсталации има изградени в САЩ (5 броя) и Холандия (4 броя), но не са широко разпространена практика. Технологиите за отделяне на метана и въглеродния диоксид са главно химическа абсорбция и мембранно разделяне и са все още сравнително скъпи. С горивото обикновено се захранват сметоизвозващите машини, компакторите на сметището и автобуси.

- Производство на електроенергия

Двигатели с вътрешно горене - генератори. Електрическата мощност на модула двигател-генератор е между 320 и 1200 kWe. Използването на няколко газови двигателя осигурява по-голяма гъвкавост на производството на еленергия и при оползотворяването на сметищния газ, тъй като позволява поетапно изграждане и добавяне на нови машини при увеличена продукция на газ или отстраняване на отделни мощности за профилактика. К.п.д. на системата е 37-40%;

- Газови и парни турбини - те са подходящи за големи сметища и продукция на електроенергия над 2-3 МWe и газов поток над 2500 m³/h. К.п.д. на системата е 20-40%. Тяхното използване е целесъобразно при когенеративни схеми (наличие на консуматор на отделяната топлинн енергия);

- Горивни клетки - Мощностите на такава една система са от 25 kWe до 200 kWe и са тествани предимно в САЩ, но тяхната цена все още е висока. Предимство е високата електрическа ефективност - около 40-50%.

- Когенерация - оползотворяването и на топлинната енергия, отделяна при производството на електричество по някои от гореописаните схеми, т.е. комбинираното производство на електрическа и топлинна енергия се нарича когенерация. В сравнение с производството само на електроенергия коефициентът на полезно действие (оползотворяване на енергийното съдържание на газа) нараства от 20-40% на 85-90%. Т.е. загубите са само около 10-15%. Тук отново възниква въпросът за намиране на консуматор на тази топлинна енергия.

Управлението на дейността но събиране и депониране на твърди битови отпадъци в България претърпя голямо развитие през последните 10 години. Наложени бяха съвременни технологии и норми за депониране на отпадъците на градските сметища. Следващата стъпка, която е необходимо да се предприеме е съблюдаването на законовите изисквания н използването на световния опит в областта на оползотворяване на сметищния газ от депата за изграждане на модерни инсталации, съобразени с конкретните условия и характеристики па сметището. Изграждането на подобни инсталации е скъпа инвестиция, но в повечето случаи икономически ефективна. Трябва да се обърне внимание и на социалния ефект от намаляването на миризмата от депата и екологичния ефект от намаляване емисиите на изключително силния парников газ метан.

Алтернативата “отпадъчна биомаса”

Биомасата е естествен продукт на фотосинтезата, която се извършва във всички растения под въздействито на слънчевато греене. Затова тя е продукт на Слънцето и дотолкова, доколкото то огрява Земята периодично, то биомасата е напълно самовъзобновяващ се източник на енергия. И по специално отпадъчната биомаса е безплатен и един от важните алтернативни източници на енергия. У нас се оценява, че тоъкмо биомасата има най-голям енергиен потенциал, в сравнение с всички други енергийни източници. С развиването на дърводобива и дървообработването у нас дървесните отпадъци могат все по-широко да се ползват като екогорива. Нейното значение нараства. Дървесната биомаса може естествено да се възобновява. При съвременните технологии и машини отпадъчната биомаса се превърне в индустриални горива, каквито са каменните въглища, нефтът, природният газ и  други.

Една от най-бързо развиващите се технологии, която не изисква големи капиталовложения е производството на брикети и пелети. Брикетите и полетите са продукти, получени чрез пресоване на раздробена отпадъчна биомаса без свързващо вещество. В редица европейски страни като Швеция, Австрия, Финландия, Германия и др. са изградени заводи за производство на брикети и пелети от отпадъчна биомаса независимо от произхода й. Като суровина за производството на брикети и пелети служат:

Ø      от дърводобива - вършина, клони, кора, маломерни и нестандартни обли материали, суха и паднала маса, материали, добивани при отгледните сечи, и др.

Ø      от дървообработването - трици, стърготини, талаш, капаци, изрезки, малки парчета и др.;

Ø      от целулозно-хартиената промишленост - стърготини, кора, отпадъчна хартия и др.;

Ø      от селското стопанство - слама, слънчогледови стъбла, лозови пръчки, клони от овощните дървета и др.

Качествата на твърдите горива се определя главно от тяхната калоричност и пепелно съдържание. Под калоричност се разбира количеството топлина, което се отделя при изгарянето на 1 кг гориво.

От табл. 1 се вижда, че директното изгаряне на дървесината под формата на дърва за горене е твърде неефективно. В замяна на това отпадъчната биомаса, преработена на брикети и пелети, има няколко пъти по-голяма калоричност. Около 2,5 кг брикети или пелети се равняват на 1 кг горивна нафта, или 1 тон брикети и пелети могат да заменят 500 литра горивна нафта.

Таблица 1. Калоричност в MJ на масово използваните горива

Таблица 2. Пепелно съдържание в % след изгаряне на твърди горива

При изгарянето на дървесните брикети и пелети се получава пепел, която може да се използва като екологически тор, тъй като не съдържа сяра. По време на горенето не се получават вредни емисии. Отделеният въглероден двуокис (СО₂) се усвоява от растенията при фотосинтезата. Технологичният процес за производство на брикети и пелети включва следните технологични операции: събиране и транспортиране на отпадъчната биомаса; раздробяването и на частици с подходящи размери; изсушаване на частиците с висока влажност; сортиране на частиците; производство на брикети и пелети; опаковане и съхраняване на готовата продукция.

Суровината за производство на брикети и пелети трябва да отговаря на следните изисквания: влажността на суровината да е в границите 12-15%; - раздробената суровина да е с размери 0,5 до 8 мм за брикети и 0,5 до 2,5 мм за пелети. Раздробяването на едрата отпадъчна биомаса се извършва с мобилни или стационарни секачни машини. След това се извършва дораздробяване до необходимия размер с чукови мелници. Дребните отпадъци може да се раздробят направо с чукови мелници.

Влажността на раздробената суровина е от изключително значение за качеството на готовата продукция. При влажност 20-22% не е възможно

производството на брикети и пелети. За изсушаването на суровината най-широко приложение намират триходовите и едноходовите барабанни сушилни, които използват за сушилен агент димни газове. Сушилните работят по напълно автоматизиран цикъл. За производството на брикети се използват различни видове преси.

начало

Към началната страница

1999 - 2010 ©  Георги Тончев