Тема 4. Материалы для генерирования энергии из ветра

Тема 4. Материалы для генерирования энергии из ветра, геотермальных
источников и океанских волн (2 часа)
Энергия ветра использовалась людьми с древности для приведения в
движение парусных судов, ветряных мельниц и насосов, а для получения
электричества используется с конца XIX века. В настоящее время производство
электроэнергии из ветра удваивается каждые 3 года и составляет около 0,5 % от
ежегодного производства и потребления энергии в мире. За последние 30 лет
цена электроэнергии из ветра снизилась с около 0,5 $ / КВт . час до около 0,1 $ /
КВт . час, что близко к значениям стоимости электроэнергии из угля, ядерной
электроэнергии и энергии гидроэлектростанций и всего в 1,5 раза дороже
электроэнергии из природного газа. В некоторых европейских странах доля
электроэнергии, получаемой из ветра, составляет от 10 до 20 %, а в США около
40
%
новых
мощностей
электростанций
вводится
за
счет
ветряных
электростанций. Во всем мире в настоящее время действует более 200 тысяч
ветрогенераторов, общей установленной мощностью в 238 351 МВт по
состоянию на конец 2011 года, из них около 100 000 МВт в странах
Европейского союза и примерно по 50 000 МВт в США и Китае. Однако
непостоянство энергии ветра ведет к увеличению ее стоимости при увеличении
доли производства (особенно при доле свыше 20 % от общего производства
электроэнергии) из-за необходимости передачи на большие расстояния. К 2020
году ожидается снижение цены электроэнергии из ветра примерно на 25 %.
Потенциал энергии ветра, которая может иметь промышленное использование,
составляет около 20 ТВт при потреблении энергии в мире в настоящее время
около 15 ТВт. Схема устройства ветрогенератора, которые применяются для
преобразования механической энергии ветра в электричество на ветряных
электростанциях, приведена на рис. 4.1.
1. Фундамент.
2. Силовой шкаф, включающий силовые
контакторы и цепи управления.
3. Башня.
4. Лестница.
5. Поворотный механизм.
6. Гондола.
7. Электрический генератор.
8. Система слежения за направлением и скоростью
ветра (анемометр).
9. Тормозная система.
10. Трансмиссия.
11. Лопасти.
12. Система изменения угла атаки лопасти.
13. Колпак ротора.
Рисунок 4.1. Схема устройства ветрогенератора.
Максимальную мощность ветрогенератора можно рассчитать по формуле:
Pmax 
SV 3
2
,
где  – плотность воздуха,
S – ометаемая площадь,
V – скорость ветра.
Из
этой
формулы
следует,
что
мощность
ветрогенератора
пропорциональна квадрату диаметра ротора.
Рисунок 4.2. Рост мощности ветрогенераторов и диаметра ротора.
Основные
направления
повышения
эффективности
ветряных
электростанций направлены на снижение стоимости, повышение надежности и
срока службы и увеличения КПД. Для увеличения КПД необходимо увеличение
мощности ветрогенератора за счет увеличения диаметра ротора и высоты башни.
Но при этом существует проблема, связанная с тем, что электрическая мощность
пропорциональна площади турбины, т. е. квадрату диаметра ротора (рис. 4.2).
При этом масса и объем материалов пропорциональны кубу линейного размера.
Для снижения затрат на материалы и увеличения надежности и срока службы
ветряных установок при увеличении мощности ветрогенератора используется
улучшение его аэродинамических качеств, позволяющее уменьшить объем и
массу установки при той же мощности, более легкие и прочные материалы,
применение
активных
схем
контроля
на
электронных
устройствах,
ограничивающих скорость вращения турбины при высоких скоростях ветра,
чтобы избежать повреждения установки. Снижение веса лопасти за счет
улучшения аэродинамических качеств ротора и применения новых материалов
иллюстрирует рис. 4.3.
Материалы лопастей ветрогенераторов. Лопасти небольшого размера
могут быть изготовлены из легких металлов, таких, как алюминий. Но эти
материалы требуют частого технического обслуживания. Для улучшения
аэродинамических
качеств
и
уменьшения
коэффициента
лобового
сопротивления, снижающего эти качества, необходимы материалы, которые
хорошо обрабатываются, чтобы придавать лопастям необходимую форму.
Необходимо использование твердых и негибких материалов, сохраняющих свою
форму независимо от наличия и скорости ветра, и в то же время прочных. Для
этого обычно используются металлы или композиты.
Рисунок 4.3. Снижение веса лопасти (показано стрелками) по сравнению с
ветрогенераторами первого поколения за счет улучшения аэродинамических
свойств ротора и применения новых материалов.
Для производства турбин большого диаметра (50-100 м) используется
такой
композитный
материал,
как
стекловолокнистый
ламинат.
Он
изготавливается из стекловолокна, пропитанного эпоксидным связующим, с
последующей полимеризацией. Доля стекловолокна для достижения высоких
механических качеств должна составлять не менее 70 %. Ламинат обладает
такими качествами, как малый удельный вес, высокая износостойкость,
устойчивость к коррозии, сохранение свойств в широком диапазоне температур,
устойчивость к химическим веществам. При производстве лопастей могут
использоваться
проверенные
методы
изготовления
стекловолокнистого
ламината. Используются также волокна из углерода и дерева в эпоксидной
матрице.
Применяется
такой
метод,
как
предварительная
пропитка
стекловолокна в вакууме и вакуумная инфузия смолы. Процесс вакуумной
инфузии или инжекции - это технология изготовления композитного материала,
которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в ламинат. Эта
технология используется для изготовления деталей из стеклопластика и
углепластика. Материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в
установку, затем накладывается вакуум, до ввода смолы. Как только достигается
полный вакуум, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам. В
отличие от других методов, при которых сначала наносится, а потом удаляется
лишняя смола, инфузия впускает в ламинат только необходимое количество
смолы. Этот метод значительно улучшает соотношение волокно-смола в
ламинате, в результате чего получается более прочное и легкое изделие.
Основным недостатком обычных методов нанесения смолы на открытом воздухе
являются выбросы летучих органических веществ, загрязняющие воздух.
Методы предварительной пропитки материалов и методов инфузии смолы в
закрытых установках позволяют утилизировать выбросы и избежать загрязнения
окружающей среды. При том, что эти методы имеют преимущества для
производства изделий большого размера, при увеличении их толщины
увеличивается число дефектов и неравномерность распределения смолы.
Использование метода предварительной пропитки прежде, чем используется
вакуумная инжекция, делает распределение смолы более равномерным и
улучшает структуру ламината.
Использование композитов на эпоксидной основе делает их производство
более экологически-чистым и снижает стоимость композитов по сравнению с
другими системами смол. Эпоксидные смолы позволяют также увеличивают
скорость производства композитных материалов и позволяют получать материал
с повышенной прочностью и улучшенной отделкой поверхности. Метод
предварительной пропитки еще больше сокращает время производства этих
материалов. Для лопастей турбин диаметром более 60 метров, метод инжекции
становится более распространенным, традиционные методы литья смолы под
давлением продолжаются слишком долго по сравнению с инжекцией смолы в
вакууме, и ограничивают толщину ламината.
Использование материалов, армированных углеродным волокном, может
уменьшить вес и увеличить жесткость лопастей. Несмотря на более высокую
стоимость
композитов
на
основе
углеродных
волокон,
использование
углеродного волокна в лопасти турбины диаметром 60 метров, по оценкам,
может снизить ее общую массу на 38 % и снизить общие затраты на 14 % по
сравнению с использованием стекловолокна. Углеродные волокна позволяют
уменьшить толщину слоя смолы между волокнами и улучшают распределение
смолы в изделиях большой толщины.
Башни. Увеличение высоты башни повышает производство энергии, так
как на большой высоте от Земли скорость ветра выше за счет отсутствия трения
о поверхность Земли. Удвоение высоты башни увеличивает скорость ветра на 10
% и мощность ветрогенератора на 34 %. Чтобы избежать потери устойчивости,
удвоение высоты башни, как правило, требует удвоения диаметра башни.
Увеличение высоты и диаметра башни увеличивает затраты на сооружение ее
компонентов, их перевозку и монтаж. В настоящее время в основном
устанавливаются сборные (телескопические и постоянного диаметра) трубчатые
башни из стали с покрытием, защищающим от коррозии.
К покрытию предъявляются такие требования, как износостойкость,
долговечность
и
надежность,
клеящие
способности
по
отношению
к
защищаемому материалу, влагоизолирующие свойства, сохранение свойств в
широком диапазоне температур, устойчивость к оледенению, к воздействию
света, воды и прочих факторов среды. В качестве покрытия башен и лопастей
используется эпоксидный гель. Получает распространение покрытие из
полиуретана, обладающее лучшими качествами в защите от коррозии и прочих
агрессивных факторов окружающей среды и позволяющее изменять состав для
получения широкого диапазона свойств. Защита материала от коррозии
особенно важна для ветряных электростанций, установленных на море
(оффшорных) и использующих постоянные морские ветра. Для таких ветряных
электростанций получает распространение замена стали на композитные
материалы.
Фундамент башен ветрогенераторов сооружается из железобетона. С
целью
повышения
устойчивости
сооружения
используются
свайные
фундаменты. Увеличение диаметра башни может затруднить транспортировку и
сборку труб большого диаметра (более 4,5 м). В этом случае целесообразно
применять конструкцию башни из сборных стальных ферм.
Рисунок 4.4. Конструкции башни ветрогенератора – трубчатая и из
сборных стальных ферм.
В
качестве
смазочных
материалов
для
движущихся
частей
ветрогенератора, включая подшипники и редукторы, и жидкостей для
гидравлических тормозов используются масла со слабой зависимостью вязкости
от температуры (высоким коэффициентом вязкости) и низкими температурами
застывания (менее -40 oC), что обеспечивает работу механизмов в широком
интервале температур. Жидкости не должны вызывать коррозию материалов,
должны защищать материалы от механического износа и обеспечивать низкую
силу трения в широком диапазоне скоростей, так как скорость ветра
непостоянна. Так как замена масла на большой высоте является трудоемким и
дорогостоящим процессом, важным преимуществом является длительный срок
службы смазки (не менее 4 лет). Используются такие синтетические вещества,
как
полиальфаолефины
и
полиалкиленгликоли,
обладающие
низкими
температурами застывания, или высококачественные минеральные масла.
Основным требованием к материалам электрических и электронных
устройств, входящих в состав ветрогенератора, является возможность работы в
широком интервале температур.
Геотермальная
энергетика
использует
тепловую
энергию
Земли,
получаемую земной корой из глубоких недр, и имеющую в основном ядерную
природу (радиоактивный распад). Потенциал геотермальной энергии, которую
можно использовать в промышленных целях, близок к общему потреблению
энергии в мире в настоящее время (около 15 ТВт). Стоимость геотермальной
электроэнергии составляет 0,06 – 0,1 $ за КВт
электроэнергии
из
ископаемого
топлива.
.
ч, что близко к цене
Установленная
мощность
геотермальных электростанций в мире на начало 1990-х составляла около 5 ГВт,
на начало 2000-х — около 6 ГВт. В настоящее время суммарная мощность
геотермальных электростанций в мире составляет 10,7 ГВт, и около 28 ГВт
геотермальной энергии используется для отопления. В отопительных установках
обычно используется вода с относительно низкой температурой. Возможно
сооружение геотермальных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), с целью производства
электроэнергии и для отопления (рис. 4.5).
Рисунок 4.5. Геотермальная ТЭЦ в Исландии.
В пароводяных гидротермальных электростанциях (рис. 4.6) из глубины
Земли
через
пробуренную
скважину
подается
вода,
перегретая
выше
температуры кипения под высоким давлением, которая закипает при понижении
давления, а энергия пара вращает турбину. Для того, чтобы использовать воду
относительно низкой температуры – от 70 до 200
o
C для производства
электроэнергии, используются гидротермальные электростанции двойного цикла
с нагревом жидкости, циркулирующей по замкнутому контуру и имеющей
низкую температуру кипения (как правило, бутан, пентан или аммиак).
Существуют комбинированные гидротермальные станции, использующие пар из
кипящей воды, которая также нагревает жидкость с низкой температурой
кипения. Наименее распространенный тип геотермальных электростанций,
которые называются паровыми или на сухом пару, использует механическую
энергию непосредственно водяного пара, поступающего из земных недр.
Рисунок 4.6. Схема пароводяной геотермальной электростанции.
В термальных водах содержится большое количество солей различных
токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и
химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в
природные водные системы, расположенные на поверхности. В связи с этим
необходима обратная закачка воды (обычно отработанной) в подземный
водоносный горизонт, для чего при строительстве геотермальной станции бурят
дополнительную скважину. Строительство геотермальных электростанций
возможно или экономически целесообразно только в районах, близким к
границам
тектонических
пластин,
где
высоко
поднимается
тепло
от
вулканической активности. Термальные воды могут содержать такие газы, как
углекислый газ, сероводород, метан, аммиак, оксиды азота, SO2, загрязняющие
воздух. Но геотермальные станции во много раз меньше загрязняют воздух, чем
использующие ископаемое топливо при той же мощности. Так, выбросы
углекислого газа на геотермальных электростанциях в 30 раз ниже, чем на
электростанциях, использующих уголь. КПД геотермальных электростанций
довольно низкий, около 10-23 % из-за сравнительно низкой температуры воды. В
связи с отсутствием расхода топлива основные затраты при производстве
геотермальной энергии связаны с разведкой и строительством станций.
Геотермальные воды как правило содержат растворенные минералы и
могут вызывать коррозию стальных труб и резервуаров и отложение
минеральных осадков. Минеральные осадки снижают прочность и пропускную
способность конструкций и снижают эффективность извлечения тепловой
энергии. Осаждение осадка может привести к полной закупорке труб. Осадки
также снижают пропускную способность скважин. В результате падения
температуры и давления при движении воды из глубин Земли на геотермальную
электростанцию растворимость минералов в воде снижается, что приводит к их
кристаллизации на стенках труб и резервуаров. Те же самые явления происходят
при кипении воды, сопровождающимся снижением температуры и давления.
Для
прогнозирования
и
регулирования
процессов
солеотложения
используются расчеты процессов тепло- и массопереноса, растворения и
осаждения. Для восстановления пропускной способности используются закачка
жидкости под высоким давлением, химическая обработка кислотой (HCl или
H2SO4) или механическая обработка. Недостатком метода обработки кислотой
является коррозия металла под действием кислоты, а механической обработки –
механическое
повреждение
образования
накипи
–
поверхности.
Используются
диспергированные
ингибиторы
полимеры,
слабые
комплексообразующие кислоты, органические ингибиторы.
Проблемы, связанные с коррозией, снижают срок службы геотермальной
электростанции и увеличивают стоимость ее обслуживания. Материалы могут
быть подвержены равномерной коррозии, локальной, межкристаллитной,
щелевой коррозии, эрозии и коррозионному растрескиванию под напряжением.
В геотермальных системах используется углеродистая сталь (в 90 % случаев),
медь и ее сплавы, коррозионностойкие сплавы (например, нержавеющая сталь),
другие металлические материалы и неметаллические материалы (включая
полимеры). Коррозию металлов усиливают содержащиеся геотермальных водах
кислород, кислоты, углекислый газ, гидрокарбонаты, сероводород, сульфиды и
сульфаты, хлориды, аммиак и соли аммония, твердые частицы и микробы
(сульфатредуцирующие бактерии). Высокая кислотность приводит к деградации
цемента. Хлориды разрушают оксидные пленки на нержавеющих сталях и
других
коррозионно-стойких
сплавах,
защищающие
их
от
коррозии.
Сероводороды и сульфиды образуют на поверхности сплавов на основе железа
пленку из сульфида железа FeS, защищающую металл от дальнейшей коррозии.
Но эти вещества оказывают сильное коррозионное действие на сплавы на основе
меди и никеля.
Борьба с коррозией.
Коррозией можно управлять с помощью выбора материалов, химической
обработки, катодной защиты и нанесения изоляции (покрытия). Выбор
материала является важнейшим методом контроля коррозии, что требует
балансировки расходов на материалы, техническое обслуживание и борьбу с
деградацией металлов под действием коррозии. Углеродистая сталь является
экономически эффективной и устойчивой к местной коррозии, но не является
устойчивой к равномерной коррозии и может приводить к высоким расходам на
эксплуатацию и связанным с деградацией материала. Коррозионно-стойкие
сплавы имеют отличную коррозионную стойкость, но являются дорогостоящими
материалами и восприимчивы к локальной коррозии. Использование химических
ингибиторов для замедления коррозии является проблематичным, так как они
обычно содержат токсичные соединения, и их использование может быть
ограничено
по
экологическим
нормам
для
применения
в
подземных
геотермальных резервуарах. Нетоксичные органические ингибиторы, которые
разлагаются без загрязнения окружающей среды, находятся в стадии разработки.
Покрытия на сталь могут обеспечить физический барьер для геотермальной
жидкости, вызывающей коррозию. Дефекты или повреждения покрытия
приводят к серьезной локальной коррозии. Катодная защита достигается путем
наложения на систему потенциала с более высокими отрицательными
значениями, чем потенциал коррозии.
Бурение скважин составляет значительную часть стоимости сооружения
геотермальных систем. Для герметизации пространства между стальной трубой
и окружающими породами используется цемент. Типичными условиями работы
скважин являются наличие жидкости высокой температуры (100 - 320 ° C),
высокой солености, и содержания кислот (например, растворенный CO2 и
H2SO4). Обычные цементы восприимчивы к реакции с горячими CO2 и H2SO4,
что приводит к ухудшению свойств цемента. Это приводит к потере защиты
стальной трубы слоем цемента и к разуплотнению между трубой и слоем
цемента. Для геотермальных систем были разработаны несколько новых сортов
цемента, в том числе алюмината кальция фосфат (CAP), цементы на основе
фосфатов магния и калия (ceramicrete) и шлака, активированного силикатом
натрия (Ultra seal SSAS). CAP цемент состоит из систем на основе СаО-А12О3Р205-H20 и Na2O-CaO-Si02-Al2O3-P205-H20. Такие фазы, как кристаллический
гидроксиапатит [Ca5(PO4)3(OH)], бемит (-AlOOH), гидрогранат (Ca3Al2(OH)12) и
анальцим (NaAlSi2O6-H2O) контролируют плотность и прочность цемента. Этот
цемент также устойчив к воздействию СO2 и слабой кислоты, и обладает низкой
плотностью, высокой прочностью и прочностью связывания с поверхностью
трубы.
Ceramicrete
обладает
очень
низкой
пористостью,
низкой
проницаемостью, высокой прочностью и длительным сроком службы. Этот
цемент состоит из смеси гидратированных магния, калия, фосфатов. Цемент
SSAS сочетает в себе кристаллический гидрат силиката кальция (CaO
.
SiO2
.
xH2O), и тоберморит (5CaO.6SiO2. xH2O), в результате чего получается материал
с повышенной прочностью и низкой проницаемостью. Добавление компонентов
золы от сжигания угля повышает устойчивость к кислоте. Этот цемент сохраняет
свойства при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды.
Добавление промышленных эпоксидных смол повышает качество уплотнения
между трубой и окружающими породами.
Для выработки электроэнергии можно использовать энергию волн,
приливов и морских течений. Приливная электростанция это разновидность
гидроэлектростанции,
использующая
энергию
приливов,
а
фактически
кинетическую энергию вращения Земли. Эта энергия (~1029 Дж) настолько
велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1 ТВт будет
увеличивать длительность суток лишь на ~10−14 секунды в год, что на 9 порядков
меньше естественного приливного торможения (~2·10−5 с в год). Приливная
энергия меняется в течение суток, но эти колебания постоянны, в отличие от
солнечной энергии и энергии ветра. В России существует проект Пенжинской
приливной электростанции на севере Охотского моря с мощностью 135 ГВт, что
равняется 60% совокупной установленной мощности всех электростанций
России на 2012 г. Предлагается использовать полученное электричество для
получения водорода путем электролиза воды, что решает проблему зависимости
производства
энергии
от
времени
суток
и
может
заменить
бензин
возобновляемым и экологически-чистым водородом для 8 млн. легковых
автомобилей.
Основные типы приливных электростанций – плотинные (рис. 4.7), с
плотинами как на речных гидроэлектростанциях, и с подводными турбинами
(рис. 4.8), размещенными на конструкциях, установленных на морском дне, не
требующие сооружения плотин. Разрабатывается новый тип приливных
электростанций динамического типа с длинной плотиной, построенной
перпендикулярно берегу, и использующей разность высоты приливов по обе
стороны от плотины. Выработка электроэнергии такими электростанциями
должна меньше зависеть от времени суток.
Рисунок 4.7. Плотинная приливная электростанция.
Рисунок 4.8. Установка подводной турбины.
В волновых электростанциях применяются разные конструкции. В их
числе вытеснение воздуха, вращающего турбину, из специальной камеры под
воздействием волн, приведение в движение плавающими буями поршней
насосов, перекачивающих масло, вращающее гидравлические двигатели,
вращение генераторов плавающими конструкциями с помощью механической
передачи, сбор в специальные емкости морской воды, вращающей турбины, из
волн.
В электростанциях на морских течениях используются такие конструкции,
как погруженный в воду или плавучий длинный вал с последовательно
установленными несколькими турбинами, подводный или плавучий длинный
цепной или ленточный привод с лопастями, вращающий 2 ротора, объемные
насосы (с длинной трубой, погруженной в воду по направлению течения,
суженной посередине и расширенной по краям). В объемных насосах воздух
засасывается узкой средней частью трубы и выпускается на ее широком конце,
вращая турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию. Подобные
конструкции
предлагается
гидроэлектростанций
нового
использовать
типа,
не
для
требующих
сооружения
создания
речных
плотин
и
водохранилищ.
Основным
требованием
к
материалам
сооружений
и
механизмов
электростанций, использующих энергию океана, по сравнению с материалами
для речных гидроэлектростанций, является устойчивость к коррозии в соленой
морской воде. Необходима также устойчивость к обрастанию биомассой,
которое происходит интенсивнее, чем в пресных водоемах. В пресноводных
гидроэлектростанциях используются углеродистые и нержавеющие стали,
алюминиевые и медно-алюминиевые сплавы. Углеродистые стали и алюминий
подвержены сильной коррозии в морской воде. В связи с этим механизмы
морских гидроэлектростанций делаются из нержавеющей стали. Используется
нержавеющая сталь, легированная хромом и никелем, которая для устойчивости
к
коррозии
в
морской
воде
дополнительно
легируется
молибденом.
Используются также бронзы на основе меди и алюминия. Устойчивость к
коррозии в морской воде и обрастанию биомассой увеличивается, если
поверхность металла полированная и лишенная царапин. Для защиты металла от
коррозии и обрастания биомассой используются красители на основе
соединений меди. В последнее время металлы часто заменяются композитными
материалами на основе стекловолокна или углеродных волокон, устойчивыми к
коррозии в морской воде и обрастанию биомассой. Композитные материалы
используются также как покрытия для защиты металлов. Для изготовления
деталей механизмов и в качестве покрытий используются также полимеры.
Бетон в морской воде подвержен коррозии под воздействием сульфатов,
солей магния и углекислого газа. Морская вода вызывает также коррозию
стальной арматуры. Используются бетоны с низкой проницаемостью для воды
на основе портландцементов, содержащих 70-80 % силикатов кальция. Для
повышения
устойчивости
бетона
в
морской
воде
его
поверхность
обрабатывается силикатом натрия. С успехом применяется также обработка
поверхности каменноугольным дегтем, резиновыми или битумными мастиками,
кремнефтористым магнием и др. Защитные свойства этих покрытий различны,
но любое из них не должно иметь механических повреждений, поэтому
необходим их осмотр и периодическое возобновление. Всё более широкое
распространение получает бетон с покрытием и арматурой из композитного
материала на основе стекловолокна, обладающий высокой устойчивостью к
действию морской воды. Композитный материал устойчив к коррозии в морской
воде и не проводит электрический ток, усиливающий коррозию бетона.
Вопросы для самоконтроля
1. Из каких частей состоит ветрогенератор?
2. Почему для работы на воздухе и в воде широко применяются композитные
материалы на основе стекловолокна и эпоксидных смол?
3. Какие существуют типы геотермальных электростанций?
4. Какие конструкции и механизмы применяются в электростанциях,
использующих энергию океана?
5. Какие строительные и конструкционные материалы используются для
работы в воде с большим содержанием солей?