Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Уровень образования: аспирантура

Автор: Константин Моренко

Курс лекций составлен на основе Программы-минимума кандидатского экзамена по специальности 05.14.08 “Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии” по техническим наукам.

Программа работ:

  • Восстановить полное оглавление 292/292
  • Внести информацию о специальности 0/1
  • Внести список источников 0/1
  • Внести информацию по всем вопросам 12/296
  • Внести термины и определения 0/?

Возобновляемые виды энергии и энергоустановки на их основе

  1. Источники возобновляемых видов энергии и их особенности
  2. География энергоресурсов
  3. Основные понятия и определения в практике исследования и использования возобновляемых видов энергии
  4. Параметры возобновляемых видов энергии и методы их измерения
  5. Расчет основных категорий потенциала
  6. Современное состояние и перспективы использования возобновляемых видов энергии

Принципы использования солнечной энергии

Основные понятия

  1. Основные понятия и определения
  2. Источники потенциала солнечной энергии
  3. Солнечная радиация: прямая и диффузная
  4. Спектры внеатмосферного и наземного, солнечного излучения
  5. Методы измерения солнечной радиации
  6. Методы расчета прихода солнечной радиации на горизонтальную и произвольно ориентированную площади на поверхности Земли в произвольно взятой ее точке
  7. Зависимость солнечной радиации от времени и широты местности
  8. Продолжительность дня с солнечным излучением, поглощение в атмосфере (оптическая масса)
  9. Оптимальная ориентация приемника солнечного излучения

Потенциал солнечной энергетики

  1. Основные категории потенциала солнечной энергии и методы их расчета
  2. Кадастр солнечной энергии
  3. Современное состояние и перспективы использования солнечной энергии в мире

Основные виды установок

  1. Основные виды солнечных энергоустановок и систем наземного и космического назначения
  2. Системы солнечного электроснабжения, горячего водоснабжения, отопления, охлаждения, сушки, опреснения, гидролиза и т. д.

Башенные установки

  1. Башенные станции электроснабжения
  2. Основная технологическая схема, ее компоненты и их энергетические характеристики
  3. Уравнение движения Солнца и гелиостатов
  4. Затенение и блокировка гелиостатов
  5. Коэффициент улавливания приемником солнечной радиации
  6. Тепловой приемник и методы его расчета
  7. Оптимизация системы “концентратор (гелиостаты) — приемник”

Солнечные пруды

  1. СЭС на основе солнечных прудов
  2. Технологическая схема преобразования энергии и ее компоненты
  3. Термальный градиент
  4. Теплоаккумулирующая характеристика солнечных прудов
  5. Методы расчета основных параметров СЭС на основе солнечных прудов

Концентраторы

  1. СЭС с параболическими и параболоцилиндрическими концентраторами: технологическая схема преобразования энергии и ее компоненты
  2. Эффект концентрации излучения
  3. Методы расчета основных параметров
  4. Фотоэлектрические солнечные электростанции
  5. Фотоэлектрическая генерация энергии
  6. Структура солнечных элементов и принципы их работы

Фотоэлементы

  1. Фотоэлектрические свойства цепи и нагрузки фотоэлементов
  2. Основные виды потерь энергии и факторы, влияющие на КПД фотоэлемента
  3. Конструкции солнечных элементов
  4. Основные технические требования к материалам солнечных элементов
  5. Жесткие и гибкие фотоэлементы
  6. Концентраторы излучения, их разновидности и особенности использования
  7. КПД основных типов фотоэлементов
  8. Фотоэлектростанции

Солнечные коллекторы

  1. Солнечные коллекторы и их разновидности
  2. Принцип действия, основные конструктивные особенности, КПД солнечных коллекторов
  3. Расчет температурного поля, тепловых потерь, отвода тепла, оптического КПД
  4. Селективные покрытия их разновидности и свойств

Отопление

  1. Системы солнечного горячего водоснабжения и отопления
  2. Схемы и элементы
  3. Методы расчета систем солнечного теплоснабжения
  4. Аккумуляция тепла в системах солнечного теплоснабжения
  5. Краткосрочная и длительная аккумуляция тепла
  6. Методы расчета характеристик систем солнечного теплоснабжения
  7. Принцип действия, конструктивные особенности и методы расчета подогревателей воды и воздуха, сушилок, кондиционеров, холодильников, опреснителей воды на базе систем солнечного теплоснабжения

Пассивные системы

  1. Пассивные солнечные системы
  2. Основные типы и их особенности
  3. Пассивные солнечные системы с непосредственным обогревом помещений (солнечные окна, оранжереи, теплицы, прозрачная крыша) и их энергетические характеристики
  4. Пассивные солнечные системы с обогревом пассивного элемента вне помещения (стена Тромба, термопруды, контейнеры с водой на крыше зданий и т. д.
  5. Аккумуляция тепла элементами зданий и конструкций
  6. Использование пристроенных и встроенных теплиц в качестве приемников солнечного тепла

Космические системы

  1. Космические солнечные энергетические системы
  2. Основные схемы преобразования и концентрации солнечного излучения на космических солнечных энергетических системах
  3. Достоинства и недостатки преобразования солнечного излучения на космических системах
  4. Проблемы сооружения космических систем и передачи энергии на Землю
  5. Перспективные системы передачи энергии с космических систем на Землю (СВЧ-излучение, лазерный луч)

Энергия ветра и источники на ее основе

Основные понятия ветровой энергетики

  1. Основные понятия и определения
  2. Источники потенциала ветровой энергии
  3. Преобразования энергии ветра
  4. Ветроэнергетические установки (элементы аэродинамики)
  5. Основные характеристики ветра и методы их определения
  6. Зависимость параметров ветра от высоты и во времени
  7. Характерные функции распределения ветра (распределение Рэлея, Вейбулла-Гудрича и т.д.)
  8. Роза ветров
  9. Высота флюгера
  10. Географические факторы и местные расчетные параметры ветра
  11. Основные категории потенциала ветровой энергии и методы их расчета
  12. Кадастр ветровой энергии
  13. Основные технические схемы использования энергии ветра и их классификация

Ветроустановка

  1. Теория идеального и реального ветрового двигателя
  2. Основные положения и допущения
  3. Осевая или подъемная сила
  4. Рабочий момент и мощность
  5. Потери энергии ветродвигателя
  6. Методы получения энергетических характеристик ветроколеса
  7. Способы установки ветроколеса на ветер
  8. Силы, действующие на ветроколесо при его работе в косом потоке
  9. Гироскопический момент ветроколеса

Ветроколесо

  1. Способы регулирования частоты вращения ветроколеса и его и мощности
  2. Конструктивные особенности и энергетические характеристики основных элементов ветроэнергетической установки
  3. Режимы работы ветроколеса
  4. Быстроходность и его связь с коэффициентом мощности
  5. Подведенная и полезная мощность ветроэнергоустановки с вертикальной и горизонтальной осью
  6. Основные виды потерь энергии

Специальные ветроустановки

  1. Ветроустановки, предназначенные для производства электроэнергии, тепла, механической энергии и их особенности

Ветроустановки с горизонтальной осью вращения

  1. Ветроустановки с горизонтальной осью вращения
  2. Основные элементы конструкции ветроустановок с горизонтальной осью вращения
  3. Одно- и многолопастные системы ветроустановки со стабилизаторами, без него или с дополнительным боковым колесом; с серводвигателем и с самоориентацией
  4. Особенности режимов работы разных видов ветроустановки

Конструкция электрических ветроустановок

  1. Конструкции редуктора и генератора, их энергетические характеристики

Преобразование энергии в ветроустановках

  1. Баланс энергии в ветроустановках
  2. Основные энергетические характеристики ветроустановок
  3. Расчетные скорости ветра ветроустановок: минимальная, рабочая, максимальная
  4. Концентраторы воздушного потока, их эффективность, особенности их конструкции

Ветроустановки с вертикальной осью вращения

  1. Ветроустановки с вертикальной осью вращения
  2. Основные элементы конструкции ветроустановок с вертикальной осью вращения
  3. Одно- и многоярусная система
  4. Преимущества и недостатки ветроустановок с вертикальной осью вращения
  5. Основные типы ветроустановок с вертикальной осью вращения
  6. Энергетические характеристики ветроустановок разного типа с вертикальной осью вращения

Ветропарки

  1. Ветроэлектростанция и ветропарк
  2. Основные принципы оптимального использования энергопотенциала ветра в заданном регионе
  3. Схемы оптимального размещения ВЭУ относительно друг друга и ветрового потока с учетом розы ветров в регионе
  4. Эффект затемнения в ветропарке

Использование энергии перемещения водных потоков

Принципы использования энергии воды

  1. Основные принципы использования энергии воды
  2. Источники потенциала гидроэнергетики: естественные и искусственные водотоки и водохранилища, водохозяйственные и др. гидротехнические системы, ледники, подземные воды, приливы и отливы, волны и течения в морях и океанах
  3. Традиционная и нетрадиционная (малая) гидроэнергетика и их особенности
  4. Основные гидравлические и энергетические параметры источников потенциала малой гидроэнергетики
  5. Методы измерения напора и расхода воды
  6. Гидрометрические характеристики источника потенциала малой гидроэнергетики
  7. Гидрологическая информация малой гидроэнергетики и ее особенности по сравнению с традиционной гидроэнергетикой
  8. Использование детерминированных и вероятностных методов расчета в гидрологии малой гидроэнергетики
  9. Особенности формирования стока водосборов водостоков в малой гидроэнергетике

Энергия морских волн

  1. Энергия морских волн и течений
  2. Источники потенциала и их особенности
  3. Поверхностные волны на глубокой и мелкой воде (основы теории волнового движения)
  4. Энергия и мощность волны и методы ее использования
  5. Идеальные и реальные волны и методы их описания
  6. Энергетический спектр (распределение мощности волны) волн
  7. Методы использования энергии волн при непрерывном волновом движении
  8. География волн на Земле

Приливная энергетика

  1. Энергия приливов
  2. Источники потенциала и их особенности
  3. Влияние Солнца и Луны на приливы
  4. Прилив в открытом океане и вблизи берегов
  5. Приливная волна
  6. Энергетика приливных течений и методы ее расчета
  7. Основные характеристики приливной волны, методы их расчета и особенности их изменения во времени и от основных влияющих факторо
  8. Лунный месяц
  9. География приливов
  10. Основные категории потенциала малой гидроэнергетики (включая волны и приливы) и методы их расчета
  11. Водноэнергетические кадастры гидроэнергетики

Малые гидроэнергетические установки

  1. Малые гидроэнергетические установки и гидроэлектростанции различных типов, включая волновые энергоустановки и электростанции, а также приливные электростанции
  2. Малые гидроэнергетические установки: классификационные признаки
  3. Основные методы и способы концентрации напора и расхода
  4. Основные типы и виды турбинного оборудования малых гидроэнергетических установок
  5. Энергетические характеристики турбинного оборудования, методы их измерения и расчета
  6. Модельные и натурные испытания гидроагрегатов
  7. Нетрадиционные схемы и виды оборудования малых гидроэнергетических установок
  8. Водоподводящие и водоотводящие сооружения малых гидроэнергетических установок и их энергетические характеристики
  9. Основные типы гидрогенераторов малых гидроэнергетических установок (на постоянном и переменном токе, синхронные и асинхронные)
  10. Энергетические характеристики гидрогенераторов
  11. Методы выбора и обоснования основных параметров гидроагрегатов малых гидроэнергетических установок

Волновые электростанции

  1. Волновые электростанции
  2. Основные типы и схемы волновых электростанций: устройства, отслеживающие профиль волны, использование колеблющегося водяного столба; системы улавливающие волны; надводные и подводные устройства
  3. Методы расчета подведенной и полезной мощности волновых электроустановок и электростанций
  4. Основные энергетические характеристики элементов волновых электроустановок и методы их расчета

Приливные электростанции

  1. Приливные электростанции
  2. Энергия и мощность приливных течений и приливного подъема-спада воды
  3. Методы расчета скорости и мощности приливных течений и приливного подъема-спада воды
  4. Сизигийный и квадратурный прилив
  5. Энергия прилива за лунный месяц
  6. Перспективные районы и схемы использования энергии приливов: одно- и многобассейновые; с обратимыми и необратимыми агрегатами; с гидравлической аккумуляцией энергии
  7. Методы выбора и обоснования основных параметров оборудования приливных электростанций

Источники на основе геотермальной энергии

Геотермальная энергия

  1. Геотермальная энергия, основные понятия и определения
  2. Источники потенциала геотермальной энергии
  3. Основы геофизики
  4. Тепловое поле Земли
  5. Методы излучения геотермальных ресурсов и их классификация
  6. Системы извлечения геотермальных ресурсов и их классификация
  7. Сухие скальные породы и естественные водоносные пласты (термальные воды и парагидротермы)
  8. География геотермального тепла Земли
  9. Методы расчета теплосодержания глубинных пород Земли
  10. Потенциал геотермальной энергии и методы его расчета

Геотермальные энергетические установки

  1. Современное состояние и перспективы использование геотермальной энергии в мире
  2. Геотермальные энергоустановки и электростанции
  3. Использования геотермальной энергии: возможности и потребности
  4. Техника извлечения тепла земли
  5. Основные схемы технологического процесса на геотермальных электростанциях: цикл с одним рабочим телом, цикл с двумя рабочими телами, прямой и паровой и двухконтурный цикл
  6. Схемы утилизации отработанного рабочего тепла ГеоТЭС
  7. Виды рабочего тела и их особенности
  8. Методы выбора и обоснования основных параметров оборудования ГеоТЭС
  9. Энергетические характеристики ГеоТЭС, методы их изучения и расчета
  10. Особенности энергетического оборудования ГеоТЭС

Биомасса как источник энергии

Основные понятия биомассы

  1. Энергия биомассы
  2. Основные понятия и определения
  3. Источник потенциала биомассы и ее география
  4. Классификация биотоплива
  5. Влага, плотность и содержание углерода в биомассе
  6. Основные типы энергопроцессов, связанных с переработкой биомассы: термохимические, биологические, агрохимические
  7. Производимое биотопливо из биомасс
  8. Технология преобразования: сжигание, пиролиз, сбраживание, анаэробное разложение и т.д.
  9. Удельная потенциальная величина урожайности биомассы различных культур
  10. Основы фотосинтеза
  11. Современное состояние и перспективы использования энергии биомассы в мире

Конструкция биоэнергетических установок

  1. Биоэнергетические установки
  2. Классификация биоэнергетических установок по типу энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы
  3. Основные элементы технологического процесса, их энергетические характеристики и методы их получения и расчета

Термохимические методы переработки биомассы

  1. Технологические процессы переработки биомассы, основанные на термохимичеких методах
  2. Сжигание топлива для получения тепла, приготовление пищи и обогрев жилищ, сушка технических культур, сжигание отходов, производство тепла и электроэнергии
  3. КПД установок
  4. Пиролиз или сухая перегонка сырья для пиролиза и его ресурсы
  5. КПД пиролиза
  6. Твердый остаток (древесный уголь)
  7. Сепарация жидкостей и газов (газификация)
  8. Другие термохимические процессы: гидрогенерация; гидрогенерация с применением СО и пара; гидролиз под воздействием кислот и ферментов; метиловый спирт в качестве топлива

Биохимические методы переработки биомассы

  1. Технологические процессы, основанные на биохимических методах
  2. Спиртовая ферментация или брожение
  3. Методы получения этилового спирта (этанола) из сахарного тростника, сахарной свеклы, растительного крахмала, целлюлозы
  4. Выход этанола из различных культур
  5. Этанол в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания
  6. Анаэробное сбраживание или разложение
  7. Необходимые условия реализации
  8. Биогаз, как смесь СН4 и СО2
  9. Основное уравнение анаэробного сбраживания
  10. Методы расчета основных параметров биогазогенераторов и его энергетические характеристики

Агрохимические методы получения биомассы

  1. Агрохимические методы получения топлива в процессе жизнедеятельности растений
  2. Недостатки и достоинства методов

Использование низкотемпературного тепла земли, воды, воздуха

Источники низкотемпературного тепла

  1. Основные понятия и определения
  2. Источники потенциала и география
  3. Тепловой баланс Земли
  4. Естественные источники и поглотители теплоты
  5. Производство теплоты в мире
  6. Рассеивание теплоты: механизмы теплопередачи
  7. Прямоточное охлаждение
  8. Градирни
  9. Методы утилизации сбросной теплоты
  10. Качество теплоты и ее транспорт
  11. Потенциал низкотемпературного тепла земли, воды и воздуха в мире и методы его расчета
  12. Основные влияющие факторы
  13. Современное состояние и перспективы использования низкотемпературного тепла Земли, воды и воздуха в мире

Океанические тепловые электростанции

  1. Океанические тепловые электростанции (ОТЭС)
  2. Принцип работы ОТЭС
  3. Допустимая разность температур
  4. Технологическая схема ОТЭС, энергетические характеристики ОТЭС

Теплонасосные установки

  1. Теплонасосные установки (ТНУ)
  2. Тепловые насосы, принципы их работы и использования
  3. Источники низкотемпературного тепла: воздух окружающей среды, вентиляционный воздух, тепло грунта, стоячие воды, промышленные сбросы, подземные воды, озерная, морская и речная вода и другие источники нетрадиционного тепла
  4. Основные компоненты технологического цикла ТНУ: системы сбора тепла, испаритель, компрессор, конденсатор, расширитель
  5. Баланс энергии ТНУ
  6. Коэффициент преобразования тепла
  7. Направления и области применения ТНУ
  8. Экологически чистые рабочие тела ТНУ, их особенности и перспективы использования
  9. Энергетические характеристики компонентов ТНУ
  10. Использование ТНУ для получения тепла в системах индивидуального и коллективного использования энергии

Аккумуляция и транспорт энергии

Основы аккумулирования и транспорта энергии

  1. Основные понятия и определения
  2. Назначение аккумуляторов энергии и принципы аккумулирования: биологическое, химическое, тепловое, электрическое, механическое
  3. Основные характеристики аккумуляторов
  4. Транспорт первичной и вторичной энергии
  5. Основные способы передачи энергии, их особенности и характеристики
  6. Трубопроводы, кабельная сеть, линии электропередачи, контейнерные перевозки и т. д

Энергоаккумулирующие установки и станции

  1. Энергоаккумулирующие установки (ЭАкУ) и станции (ЭАкС)
  2. Гидроаккумулирующие, тепловые, индуктивные, водородные и другие виды аккумуляции энергии
  3. Технологические циклы ЭАкУ и принцип их действия
  4. КПД аккумуляции
  5. Основные энергетические характеристики, методы их получения и расчета
  6. Глубина и скорость заряда-разряда
  7. Длительность цикла аккумуляции
  8. Гарантированное число циклов заряда-разряда
  9. Преобразователи энергии ЭАк

Основные технические схемы преобразования возобновляемых видов энергии

Преобразование энергии в энергоустановках на основе возобновляемых видов энергии

  1. Технологический процесс преобразования энергии в электроустановках на базе ВВЭ
  2. Основные энергетические характеристики этапов преобразования энергии и всей установки в целом
  3. Методы расчета и измерения основных параметров и характеристики в установившихся и переходных режимах
  4. Влияние энергетических объектов на базе ВКЭ на окружающую среду

Энергетические и электротехнические комплексы

  1. Энергетические комплексы (ЭК) и электротехнологические комплексы (ЭТК) с установками на базе ВВЭ и ЭАкУ
  2. Основные схемы ЭК и ЭТК и принципы их использования для обеспечения энергией автономного потребителя и электрической системы
  3. Достоинства и недостатки различных схем ЭК и ЭТК
  4. Методы расчета основных энергетических параметров ЭК и ЭТК с аккумуляторами энергии разного вида
  5. Транспорт первичной и вторичной энергии. Энергетические характеристики. КПД

Проектирование установок и станций

  1. Основные этапы проектирования схем установок и станций на базе ВВЭ
  2. Исходная информация, методы ее получения и хранения
  3. Основные энергетические параметры энергоустановок и станций на базе ВВЭ и методы их расчета
  4. Использование систем автоматизированного проектирования (САПР) при выборе и обосновании параметров энергоустановок и станций на базе ВВЭ при их работе на изолированного потребителя и энергосистему
  5. Разработка элементов САПР, их информационного и программного обеспечения

Расчёт режимов работы энергоустановок

  1. Расчеты краткосрочных и длительных режимов энергоустановок на базе разных ВВЭ с целью обоснования их основных проектных параметров
  2. Учет наличия аккумуляторов энергии и традиционных видов электростанций и энергоустановок
  3. Водно-энергетические расчеты режимов традиционных и малых ГЭС, НС, ГАЭС, ПЭС и других типов ГЭУ в условиях проектирования для детерминированной, вероятностной и неопределенной информации для установившихся и неустановившихся режимов работы
  4. Особенности постановки задачи, методы решения, основные допущения

Работа энергоустановок в энергосистемах

  1. Особенности решения каскадной задачи с ГЭУ разного типа
  2. Особенности проектирования малых ГЭУ, работающих на автономного и объединенного потребителя
  3. Оптимизация структуры генерирующих мощностей локальных, региональных и объединенных энергосистем с энергоустановками на базе ВВЭ
  4. Работа энергоустановок на базе разных ВВЭ на автономного и локального потребителя
  5. Особенности исходной информации и методы решения задачи

Автоматизация управления энергоустановками

  1. Методы оптимального управления и организации эксплуатации схем, установок и станций на базе ВВЭ
  2. Автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) в энергетике
  3. Структура и система управления энергообъектами в электроэнергетике
  4. Разработка элементов АСДУ, их информационного и программного обеспечения
  5. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) энергообъектов на базе ВВЭ и их особенности
  6. Информационное и программное обеспечение
  7. Разработка элементов АСУ ТП, их информационное и программное