Реферат: Нетрадиционные источники энергии

<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>

Энергияветра

Человекиспользует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиямибороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожнуюдолю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле.Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чемв 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему жестоль обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабоиспользуется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего однутысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровойэнергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт/ч в год.Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главноепрепятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии.Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительноудорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооруженииравных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуетсяв пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать идля сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуютс достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек.,называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережьяСеверного, Балтийского, арктических морей.

Новейшиеисследования направлены преимущественно на получение электрической энергии изэнергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машинпривело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из нихдостигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли быобразовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегатыпредназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаютсяветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесоприводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, которыйодновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодняветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешноработают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячахсельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов иэлектростанций общего пользования.

Основноенаправление использования энергии ветра – получение электроэнергии дляавтономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды взасушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющихподходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можноприменять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств,аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводови др.

По оценкамспециалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где безсущественного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подачеэнергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяетприменять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощныеветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (наморских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки ужеиспользуют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкомуприменению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует ихвысокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить ненужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятсяслишком дорого.

Прииспользовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветренуюпогоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранитьвпрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесодвижет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потомвода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генераторпостоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: отобычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантскихмаховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть допроизводства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляетсяпоследний способ. Электрический ток от ветроагрегатаразлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде исжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Приблизительноветроагрегат состоит из:

1. Турбина ветряка

2. Хвост ветряка

3. Лопасти ветряка

4. Поворотный механизм

5. Контроллер заряда

1.Ветроэнергетика в Украине не может заменить традиционную энергетику. Она можеттолько дополнить ее. Для этого необходимо иметь традиционную генерирующуюмощность, покрывающую всю нагрузку потребителей.

2.Ветроэнергетика в Украине, как и во всем мире, в современных условиях высокозатратна и в ближайшей перспективе не может бытьрекомендована для внедрения в больших объемах из-за высокой удельной стоимостиВЭУ, низкого коэффициента использования установленной мощности установок(0.15-0.25), слабости экономики и других факторов.

3.Ориентировка на применение, только одного-двух типов ВЭУ в масштабах всейУкраины ошибочна по многим причинам. Только расчеты и технико-экономическиеобоснования могут определять оптимальный тип ВЭУ для каждой площадки ВЭС.

4. Необходиморазработать государственную программу развития ветроэнер-гетикина более длительный срок (10—15 лет) во многовариантном исполнении по типамВЭУ, площадкам, регионам и на тендерной основе определитьорганизацию-исполнителя.

5. Вряд лицелесообразно в ближайшие годы вкладывать значительные государственныеинвестиции в производство ВЭУ для внутреннего рынка и строить крупные ВЭС. Впервую очередь необходимо создать условия для внедрения ветроэнергетики(издание законодательных актов, стандартов, методик, определение льгот,создание сертификационных центров, стимулирование частного бизнеса наинвестиции в ветроэнергетику и т.д.), определение кадастра ветра,финансирование строительства пилотных ВЭУ наперспективных площадках ВЭС и т.д., обеспечить за- щиту иностранного капиталапри вложении в ветроэнергетику Украины.

ЭнергияСолнца

Солнечнаяэнергия — наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемыйчеловеком источник энергии.

Всего за тридня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всехразведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Большуючасть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, итолько треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем,больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Но даже такая«ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальныеисточники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одногоозера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

В последнеевремя интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос.Потенциальные возможности энергетики, основанные на использованиинепосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использованиевсего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшниепотребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрытьпотребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадныепотенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только оченьнебольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли неглавная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простойрасчет показывает, что если снимаемая с 1 м 2 освещенной солнцем поверхностимощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужноснимать энергию с площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее времяспособов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективностьтакой трансформации.

Вышеговорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах плотностьсолнечной энергии составляет 80 – 130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130 – 210, а впустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м 2. Это означает, что наиболееблагоприятные условия для использования солнечной энергии существуют вразвивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, вотдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных дляэтого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельскойместности.

Однако дажепри наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потокасолнечного излучения составляет не более 250 Вт /м 2. Поэтому, чтобы коллекторысолнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворениявсех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км 2.Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет засобой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечногоизлучения представляет собой зачерненный металлический (как правило,алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в нейжидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором,жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетамизготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металлаоцениваются в 1170000 000 тонн.

Извышеизложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощностьсолнечной энергетики.

Солнечнаяэнергетика относится к наиболее материалоёмким видампроизводства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечетза собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и втрудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов,изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Покаещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намногодороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, чтоэксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогутрешить не только технические, но и экономические проблемы.

Но, тем неменее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают.

Солнечнуюрадиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или электрическуюэнергию, удобную для практического применения. В южных районах нашей странысозданы десятки солнечных установок и систем. Они осуществляют горячееводоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественныхзданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции,термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованнойводы и др.

С 1988 года наКерченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика– мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающуюсреду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органическоготоплива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВтэлектроэнергии.

С начала 50-хгодов в нашей стране космические летательные аппараты используют в качествеосновного источника энергопитания солнечные батареи, которые непосредственнопреобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они являютсяпрактически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках иавтоматических межпланетных станциях.

Освоениекосмического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечно-космическихэлектростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от земных, нетолько смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но ине зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияетс неизменной интенсивностью.

Продолжается изучениевозможностей более широкого использования гелиоустановок: «солнечные» крыши надомах для энерго — и теплоснабжения, «солнечные» крышина автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельскихрайонах и т.д.

Ученые иэнергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностейиспользования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.

Геотермальная энергия

Энергетиказемли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплотыЗемли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источникэнергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8* 1014 млрд. кВт/ч. Оно постоянно компенсируется радиоактивнымраспадом некоторых изотопов в земной коре.

Источникигеотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземныебассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальныеисточники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. Посуществу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откудаводу или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – этотепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно такжеполучить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетическихцелях. Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается,пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местахобразования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породыподходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь накаждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальнойэнергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. Взависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальныеисточники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130– 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависитхарактер их использования. Можно утверждать, что геотермальная энергия имеетчетыре выгодных отличительных черты.

Во-первых, еёзапасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 кмони составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасытрадиционных видов минерального топлива.

Во-вторых,геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана восновном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которыезанимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельныенаиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служитьКалифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка и Северный Кавказв России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих,использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данномслучае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природойисточниках энергии.

Наконец,в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершеннобезвредна и не загрязняет окружающую среду.

Человекиздавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитыеРимские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годахнашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в другихстранах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общеймощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс.кВт). Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогреважилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретуюводу или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреони т.п.).

Первая вУкраине система теплоснабжения, основанная на использовании геотермальнойэнергии (энергии глубинного тепла Земли) создана в начале 1980-х гг. в Крыму. Впределах Симферопольского и Красногвардейского районов поисковыми работами наглубине 1000...1200 м и более были вскрыты водоносные горизонты с температурой+80°С. При освоении так называемой Октябрьской площади термальных водИнститутом технической физики в с. Ильинке былапостроена экспериментальная циркуляционная система, благодаря которой теплаявода подается из скважин в дома. Теплом были обеспечены также села Сизовка и Трудовое. Для сведения: на территории СНГработают также и геотермальные электростанции, т. е. тепловые электростанции,на которых геотермальная энергия преобразуется в электрическую. Первой в СССРбыла пущена в строй Паужетская геотермальнаяэлектростанция.

Затраты(в тыс. долл. США) по установке систем отопления для нового дома на одну семью

Сравнение котельной нанефтепродуктах и геотермальной скважинной установки

Наименование затрат

ГТС

Котельная на нефтепродуктах

Скважинный теплообменник до глубины 135 м (бурение, трубы, испытания)

7,05

—

Тепловой насос (приобретение, установка, испытание)

6,35

—

Регулировка систем отопления