Энергия океанических течений, волновые и приливные энергоустановки
Реферат
На тему: "Энергия океанических течений, волновые и приливные энергоустановки"
По дисциплине "Общая энергетика"
ПЛАН
Ведение
1. Роль и место альтернативных источников энергии в современной энергетике
. Энергия океанических течений
. Волновые и приливные энергоустановки
Заключение
Список источников и использованной литературы
Введение
Цель использования альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.
На возобновляемые (альтернативные) источники энергии приходится всего около 1 % мировой выработки электроэнергии. Речь идет прежде всего о геотермальных электростанциях (ГеоТЭС), которые вырабатывают немалую часть электроэнергии в странах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия также являет собой пример страны, где термальные воды широко используются для обогрева, отопления.
Приливные электростанции (ПЭС) пока имеются лишь в нескольких странах - Франции, Великобритании, Канаде, России, Индии, Китае.
Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.
По оценкам Европейской комиссии к 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллионов рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1 % ВВП.
1. Роль и место альтернативных источников энергии в современной энергетике
ХVIII век был веком просвещения, ХIХ - веком натурализма и честных войн, ХХ-й стал веком войн за энергию, и так как все, возможно, идет по кругу, не станет ли ХХI век началом нового средневековья или и того хуже - не вернет ли человечество к первобытным основам?
Население земли растет, и к середине нынешнего столетия составит 9 миллиардов человек (для сравнения: сейчас на планете проживает чуть больше 6 миллиардов). И всю эту массу народа необходимо обеспечить комфортными условиями жизни, теплым жилищем, удобными средствами передвижения, образованием, медицинской помощью и т.д. Где взять энергию, необходимую для нормального существования человечества, без снижения материального благосостояния, если углеводородных источников топлива по самым оптимистичным прогнозам осталось на полвека, а по самым удручающим еще лет на 10-15?
Конечно, альтернатива в виде ядерной энергетики существует давно. Энергию атома, производящуюся на АЭС, вовсю используют на атомных ледоколах, атомных подводных лодках и т.д. Однако ту же энергию можно использовать и для создания ядерного оружия. Да и споры вокруг безопасности и экономической выгодности применения энергии, высвобождающейся при цепной ядерной реакции деления ядер урана, не угасают очень давно. Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС мы помним.
Сейчас человечество пытается делать ставку на альтернативную энергетику в общем и на энергосберегающие технологии в частности. Сильна и надежда оттянуть энергетический коллапс при помощи альтернативных источников энергии. Разработок в области альтернативной энергетики огромное количество. И все ради энергосбережения и энергоэффективности. Уже в 1957 году Советский Союз вывел на орбиту искусственный спутник на солнечных батареях, что сократило стоимость одного киловатт-часа энергии. В середине восьмидесятых гг. прошлого века в Калифорнии устанавливались уличные фонари, которые в течение дня аккумулировали солнечную энергию, на которой работали в вечерние и ночные часы.
В девяностые проблема энергосбережения и энергоэффективности встала как никогда остро. Ядерная энергетика еще не исчерпала свой потенциал, но стало очевидно, что ядерная энергетика не способна решить все нужды человечества в дешевой энергии. В странах Европы и США обратились к тщательному изучению проблемы солнечной энергии, общей целью стало увеличение коэффициента полезного действия солнечных элементов и максимальное снижение стоимости этого вида энергии. Как следствие - множество различных разработок, которые, однако, до сих пор не получили массового распространения из-за нерентабельности.
Проблема широкого внедрения разработок в солнечной энергетике заключается еще и в том, что на различных широтах количество поступаемой солнечной энергии различно. К примеру, на широте Московской области за один июльский теплый день на каждый квадратный метр придется примерно 3 кВт/ час энергии солнца. А сколько у нас в году по-настоящему солнечных дней? То есть солнечные батареи экономически рентабельно внедрять только в самых южных регионах России - в Ставпропольском и Краснодарском краях, в Астраханской области.
Еще один альтернативный источник энергии - ветер. Ветряная электростанция - установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. С одной стороны, постройка и содержание таких ветряных установок довольно дешевы, с другой - эти электростанции маломощны, а в безветренные дни от них и вовсе мало толку. Огромные поля, "засеянные" крутящимися лопастями вентиляторов, возможно, способствуют энергосбережению (ведь электричество производится не от органических источников топлива), но назвать их энергоэффективными тоже пока нельзя.
Существуют геотермальные электростанции, работающие на преобразование внутреннего тепла Земли, перерабатывающие энергию горячих водных источников. Да, энергоэффективность этого источника уступает многим другим, но это нужно учитывать, что это восполняемый источник энергии. Для постройки подобной станции необходимы определенные геологические условия, так что геотермальные электростанции не могут быть повсеместными. Один из серьезных минусов при использовании геотермальных источников в целях получения энергии - возможная просадка грунта и даже землетрясения.
Автомобили можно "кормить" не только нефтепродуктами, но и биотопливом, в качестве которого предлагается использовать и куриный жир, и кукурузу, и рапс, и сою, и даже жареную картошку. Первый двигатель Рудольфа Дизеля в конце 19 веке работал отнюдь не на солярке, а на арахисовом масле. Солярку в него начали заливать только после смерти изобретателя - экономически это было более выгодно. Но сейчас, в начале третьего тысячелетия общественный интерес снова обращен на разработки в области альтернативного топлива для автомобилей.
Но и тут не все просто. Для того чтобы выращивать необходимое количество продуктов для биотолива, при условии, что и людям должно что-то остаться для прокормления, придется потратить в несколько раз больше драгоценной энергии, чем тратиться теперь.
Более выгодным кажется предложение использовать вместо бензина в двигателях жидкий водород. Этот легкий газ, имеющий наибольшую теплоту сгорания, лучше всего подходит для экологически чистого получения энергии. При разложении воды электролитическим способом высвобождается кислород и водород. Последний, сжигаясь в двигателе, соединяется с кислородом из атмосферного воздуха и вновь получается вода.
Водорода много на планете, перекачать этот газ к месту сжигания в десять раз дешевле, чем транспортировать электричество. В качестве топлива водород очень эффективен и не создает загрязнения окружающей среды. Однако трудности его получения, хранения и эксплуатации препятствуют развитию водородной энергетики. В частности, в так называемом "водородном двигателе" немалую роль играют такие дорогостоящие материалы как палладий и платина.
. Энергия океанических течений
Из всех океанских источников течения характеризуются самой низкой плотностью энергии (величина эквивалентного их динамическому давлению столба жидкости равна всего 0,05 м при скорости 1 м/с и только 5 м при скорости 10 м/с). Без учета трудностей создания и обслуживания гигантских сооружений в толще океанских вод, необходимых для утилизации их кинетической энергии, они эффективнее, пожалуй, только преобразователей солнечной энергии в умеренных широтах, где с поверхности площадью 1 м2 можно получить не более 100 Вт. С такой же площади в поперечном сечении океанского течения, имеющего скорость 1 м/с, можно получить около 600 Вт электрической мощности.
Только 0,02 % солнечной энергии, поступающей в Мировой океан, преобразуется в нем в кинетическую энергию течений, но и это достаточно внушительная величина: при мощности 5-7 ТВт она составляет примерно 60 1012 кВт-ч/год (современное потребление энергии в мире составляет примерно 80-1012 кВт- ч/год). Приблизительно 20% этой энергии идет на преодоление сил трения, а остальное расходуется на перенос водных масс из одних районов Мирового океана в другие.
В процессе этого переноса водные массы перераспределяют по планете избыток тепла, биогенных элементов, уменьшают концентрацию загрязнений в местах их поступления в океан, т. е. обеспечивают океану роль природного демпфера опасных отклонений жизненно важных показателей среды. Этот перенос идет с различными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду. Он происходит и по горизонтали и по вертикали, обеспечивая полный обмен водными массами между различными частями Мирового океана примерно один раз в 1000 лет.
Причины, вызывающие движение водных масс в океанах, различны. Здесь и действие сил, связанных с образованием градиентов давлений, и влияние ветров над океанской поверхностью, и приливы. В результате сложной связи этих факторов между собой, вращения Земли, взаимодействия образующихся потоков с неровностями дна и берегами в океане возникают совершенно удивительные по своим свойствам течения, в которых энергия концентрируется настолько, что становится оправданной разработка технических решений этого направления энергетики.
Если взять за эталон течения со средними скоростями порядка 1 м/с, то можно найти достаточно мест для размещения ОГЭС и в открытом океане, и вблизи берега. Особенно интересен в этом плане Атлантический океан (Гольфстрим, Северное пассатное, Бенгальское, Гвинейское, Бразильское течения). Менее интересен Индийский океан, хотя и обладающий большой суммарной кинетической энергией (Сомалийское и мыса Игольного течения, отроги течения Западных Ветров). В Тихом океане внимание привлекают Куросио и его ответвления.
Надо отметить, что здесь перечислены только некоторые из Великих океанических течений, используя мощь которых принципиально возможно создать достаточно крупные региональные энергетические объекты (суммарная мощность Гольфстрима, например, оценивается в 15 ГВт, а Куросио - в 50 ГВт), но существуют еще и течения, вполне подходящие для решения задач местной энергетики. Укажем, например, постоянно действующие течения в Гибралтарском и Баб-эль-Мандебском проливах, приливные течения в Ла-Манше, между рядом островов Курильской гряды и другие течения, где скорости потоков достигают величин порядка 5 - 8 м/с, и, соответственно, плотности энергии значительно возрастают по сравнению со средними для крупных океанских течений. Причем, в проливах можно использовать для нужд энергетики не только поверхностные, но и глубинные потоки, часто имеющие противоположное поверхностным направление и также обладающие подходящими скоростями.
Практически все течения подвержены каким-то изменениям. Сезонно и из года в год изменяются скорости, направления, физические параметры вод. Устойчивость потоков будет определять стабильность работы будущих ОГЭС, и для энергетики, вероятно,. особенно интересны те течения, устойчивость которых превышает, по крайней мере, 50 %. У всех из перечисленных выше течений этот показатель близок к 75%. Исключение составляет Сомалийское течение, в летние месяцы изменяющее направление движения на противоположное. Средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме, например, составляют 15 - 20 % от наибольшего значения, правда, иногда отмечаются и большие колебания (величиной до 50%). Более стабильно Куросио (10 - 15% колебаний расхода), но в отдельные годы и в нем наблюдались изменения скорости и расхода воды в 50-60 %.
альтернативный энергия геотермальный приливной
3. Волновые и приливные энергоустановки
Мощным источником энергии являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год.
При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно 2-1 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия).
Для устранения неравномерности выработки электроэнергии бассейн ПЭС можно разделить плотиной на два или три меньших бассейна, в одном из которых поддерживается уровень "малой", а в другом - "полной" воды; третий бассейн - резервный; гидроагрегаты устанавливаются в теле разделительной плотины. Но и эта мера полностью не исключает пульсации энергии, обусловленной цикличностью приливов в течение полумесячного периода.
При совместной работе в одной энергосистеме с мощными тепловыми (в т. ч. и атомными) электростанциями, энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать внутримесячные колебания энергии приливов.
Первая в мире приливная электростанция была построена в 1966 г. во Франции на реке Ранс. Система использовала двадцать четыре 10- мегаваттных турбины, обладает проектной мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВтч электроэнергии.
Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций пренебрежимо мало.[1] Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт 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).
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря. На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО "ЕЭС". Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире - проектная мощность 87 ГВт.
Существуют ПЭС и за рубежом - во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. ПЭС "Ля Ранс", построенная в эстуарии р. Ранс (Северная Бретань) имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Св. Мало и Динард. Мощность станции составляет 240 МВт[2].
Другие известные станции: Канадская - ПЭС Аннаполис и Норвежская - ПЭС Хаммерфест. Принцип работы приливных электростанций сходен с работой ветрогенератора, только вместо ветра движителем турбин является подводное течение. Особенность таких установок - высокая предсказуемость режима работы, ведь в отличие от капризного ветра приливы и отливы постоянны. Это очень важно для интеграции в местные сети, испытывающие значительные суточные перепады уровня энергопотребления.
В Великобритании хотят возвести самую большую в мире, мощностью 500 кВт, волновую станцию нового проекта Archimedes Wave Swing ("Архимедово волновое качание", AWS). Это погружная станция, верхние части которой находятся на глубине шести метров, нижние - сорока. Ее главный элемент - пустотелый цилиндр высотой 30 метров. Волна давит на верхнюю подвижную часть, которая сдвигается вниз, сжимая газ внутри полости цилиндра. Волновая энергия ослабевает, и давление газа возвращает AWS в исходное состояние. Челночное механическое движение ротора преобразуется в электричество с помощью генератора. Одна такая банка весом 800 тонн и стоимостью 4 млн евро может осветить 500 домов. Правда, стоить полученное на ней электричество даже по расчетам будет прилично - полдоллара за киловатт-час, это на порядок дороже теплового электричества. Но перспективы заманчивы - с помощью таких станций хотят получать 150 мегаватт с квадратного километра, и разработчики надеются уменьшить цену за счет поточности производства ее конструкционных модулей и поточного же строительства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на то, что практическое использование энергии морей и океанов пока находится в основном в экспериментальной стадии и требует больших затрат, факт остается фактом: по мере развития научно-технического прогресса будет возрастать и доля энергии, получаемой за счет ресурсов Мирового океана. В конечном итоге дело упирается не в возможность извлечения из океана энергии в различных формах, а в стоимость такого извлечения.
Список источников и использованной литературы
1.Учебное пособие по энергетике //"Russia Power, изд. март 2009// статья Храпунова Б. И. "Перспективы альтернативных источников энергии"
2.http://alternativenergy.ru/energiya/96-energiya-techeniy.html
.http://povny.blogspot.com/2009/03/blog-post_20.html
.http://www.expert.ru/printissues/expert/2007/26/news_energiya_voln_i_techeniy/