Возобновляемые источники энергии
Министерство
образования Республики Беларусь
УО
Белорусский государственный экономический университет
Кафедра
технологий важнейших отраслей промышленности
РЕФЕРАТ
На тему:
Возобновляемые
источники энергии
Выполнила:
Е.М. Ляпко
Студентка
ФМк, 1 курс, ДММ-1
Проверил
доцент М.В. Михадюк
Минск 2012
Содержание
Введение
. Геотермальная
энергия
.1 Геотермальная
электростанция
. Солнечная
энергия
.1 История
возникновения солнечных батарей
. Биотопливо
4. Гидроресурсы
. Энергия
Мирового океана
5.1 Энергия
волн
5.2 Энергия
приливов и отливов
.3 Тепловая
энергия
6. Энергия
ветра
.1 Экономическая
эффективность использования энергии ветра
Заключение
Литература
Приложения
Введение
Возобновляемыми энергоресурсами называют целую
гамму энергетических ресурсов, основной характеристикой которых является то,
что они постоянно возобновляются, не смотря на их использование. Кроме энергии
приливов и отливов, все возобновляющиеся энергоресурсы получают подпитку от
солнца - практически единственного источника энергии на нашей планете.
Структура нашей планеты достаточно сложная
включает литосферу, гидросферу и атмосферу, из которых каждая обладает
специфическими качествами и по разному реагирует на воздействие солнечной
радиации. Наряду с неравномерным распределением солнечного света по земной
поверхности всё это вызывает разницу в давлении, температуре, химическом
потенциале и уровня солености воды. Эти различия, поддерживаемые солнечным
излучением, и есть потенциальные источники энергии. В естественных условиях эти
различия постепенно сглаживаются вследствие необратимого рассеивания, и
какая-то определенная часть энергии, в конечном счете, уходит в космос.
Использование возобновляющихся источников
энергии, по сути, есть вмешательство в процесс распределения солнечной энергии
и использование этой энергии на нужды человека. К счастью в большинстве случаев
между поглощением солнечной энергии тем или иным объектом и её выделением в
космос в виде инфракрасных излучений проходит достаточно много времени. Это дает
возможность воспользоваться выше упомянутой энергией.
Так как Земля находится в среднем на расстоянии
150 млн. км от Солнца, только малая часть радиации, зависящая от угла падения,
попадает на Землю. Однако даже это количество оказывается достаточно большим и
поддерживает практически все процессы, происходящие на Земле, включая жизнь.
К возобновляемым источникам энергии, которые в
настоящее время принимают во внимание, относятся:
•геотермальная энергия земли;
•солнечная энергия;
•биомасса в пределах возобновляемости;
•гидроэнергия;
•энергия Мирового океана;
•энергия ветра.
Следует сразу же подчеркнуть, что возобновляемая
энергия не значит неисчерпаемая, т.е. сколь угодно большая по величине. Для
оценки ее величины используют понятие «потенциал». Потенциал возобновляемых
источников энергии - это количество энергии, которое можно использовать от
данного источника в течение года. При этом различают следующие градации
потенциала: теоретический; технически возможный; экономически или экологически
целесообразный.
Теоретический потенциал - это количество
энергии, которое образуется от данного источника в течение года. Технически
возможный - часть этой энергии, для использования которой у нас имеются
технические средства. На-пример, современные ветротурбины начинают вращаться
при скорости ветра 2 м/с и выше. Значит, при меньшей скорости мы технически не
можем использовать энергию ветра. Аналогичная ситуация и с гидротурбинами: для
каждого типа есть определенная минимальная скорость, при которой гидроколесо
способно вращаться. Экономически целесообразный составляет, в свою очередь,
часть технически возможного потенциала, способного конкурировать с другими
источниками энергии. В настоящее время ветроустановки рентабельны в местах, где
средняя скорость ветра составляет 8 м/с и выше. Наконец, в последнее время все
более актуальными становятся экологические факторы (они подробно будут
рассмотрены ниже). Экологически целесообразный - это тоже часть технически
возможного потенциала, применение которого не наносит существенного ущерба
окружающей среде.
1. Геотермальная энергия
Говоря просто геотермальная энергия - это
энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует
об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в
тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего
внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в
расплавленном состоянии до поверхности Земли.
Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их
освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в
современную энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической
эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими
средствами. Остается надеяться, что повсеместное введение новой интенсивной
циркуляционной технологии для производства геотермальной энергии приведет к
более широкому ее использованию.
Геотермальная энергия может быть использована
двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов,
учреждений и промышленных предприятии. Для какой из этих целей она будет
использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжение.
Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого "сухого пара" т.
е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно
использован для вращения турбины и выработки электроэнергии. Конденсационную
воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве-сбрасывать в
ближний водоем.
В других местах, где имеется смесь воды с паром
(влажный пар), этот пар отделяют и затем используют для вращения турбин; капли
воды повредили бы турбину. Наконец, в большинстве месторождений есть только
горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для
перевода изобутана в парообразное состояние, с тем чтобы этот изобутановый
"пар" вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным
циклом. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища, общественные
здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).
В районах, отличающихся газотермальной
активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение
этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов.
Тем не менее, имеется потенциальная возможность его расширения путем
прокачивания геотермальных вод через горячие подземные породы, где они
находятся на умеренной глубине.
Применение геотермальных вод не может
рассматриваться как экологически чистое потому, что пар часто сопровождается
газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными.
На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован,
что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют
электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как
охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение
среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для
электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая вода извлекается
для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть
необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или
нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них
пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также
значительные количества сероводорода - дурно пахнущего газа, опасного в больших
концентрациях.
Обоснование и строительство первых в нашей
стране опытных ГЦС с гидроразрывом горячих пород также базируется на
результатах зарубежных исследований. Вместе с тем у нас разрабатываются
оригинальные технологические схемы. Ископаемое топливо исчерпаемо, и поэтому
уже сейчас нужно не только задумываться о поиске альтернативных источников
энергии, но и смело проводить технологические эксперименты по внедрению в нашу
жизнь новых нетрадиционных источников, которые, вполне возможно, откроют
серьезные перспективы для электроэнергетики будущего. И наряду со многими
идеями нельзя отрицать важности использования геотермальной энергии - энергии
нашей родной Земли. Геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) используют в
качестве источника энергии естественные парогидротермы, залегающие на глубине
до 5 км. Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на
Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России. Самая мощная ГеоТЭС (50 МВт)
построена в США - ГеоТЭС Хебер. Запасы геотермальной энергии составляют 200
ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть
сосредоточена в районе Тихого океана.
В России геотермальные источники экономически
расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой
инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом
местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. В
настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11
МВт.
Вода и пар разделяются в циклонах. Вода,
находящаяся под высоким давлением, преобразуется в пар и также используется для
генерации электричества. Давление пара значительно меньше по сравнению с
современными тепловыми электростанциями, и это вынуждает применять крупные
турбины с ограниченной генерирующей способностью. Впрочем, следует иметь в
виду, что топливо в данном случае бесплатное и результирующая стоимость энергии
поэтому низка. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников
мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах,
проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны. Этот способ может
снабжать только небольшой долей требуемой энергии даже те страны, в которых
доступны геотермальные воды, и тоже не свободен от проблемы загрязнения
атмосферы. Основное направление развития геотермальной энергетики - отбор
теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород путем закачки
отработанной воды в пласты, преобразование глубинной теплоты в электрическую
энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую
безопасность технологии ее использования.
1.1 Геотермальная электростанция
В поисках альтернативных источников энергии люди
пришли к возможности использования геотермальных запасов земли. Ученые давно
выяснили, что с продвижением вглубь планеты температура увеличивается. Так
появилась идея использовать тепло земли в качестве источника энергии.
Увеличение температуры происходит за счет
радиоактивного распада химических элементов, содержащихся в недрах земли.
Разогретые до высоких температур породы нагревают воду, имеющуюся в земной
коре.
Вода, нагретая выше 20°C, называется геотермальной.
Температура геотермальных вод, поступающих на поверхность земли, может
достигать 300°C, а температура пара доходить до 600°C.
Геотермальные воды с наиболее высокой
температурой и пар используют для получения электроэнергии. Энергия, полученная
таким способом, дешевле, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций.
Наличие больших запасов геотермальной энергии в земной коре дает надежду на то,
что у этой отрасли энергетики большое будущее.
На Камчатке уже работают две геотермальные
электростанции. А также такие электростанции построены в районе Махачкалы и
Южно-Курильска.
Недостатком всех имеющихся геотермальных
электростанций является то, что располагать их возможно только там, где есть
горячие источники. Но ученые всерьез задумались о технологиях, которые позволят
использовать тепло земных недр повсеместно.
Ученые выдвинули идею бурения скважин на глубину
в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из
другой получать разогретый пар. Температура в глубине скважин будет достигать
150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения электроэнергии или
отопления. Данный способ назвали технологией "горячих сухих горных
пород". Сейчас его испытывают в рамках экспериментального проекта,
реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учеными в Эльзасе.
В ходе испытаний уже удалось получить геотермальный пар, и в скором будущем
ученые надеются получить с помощью него электрический ток.
Благодаря изобретению советского инженера
Александра Калины, наряду с традиционными геотермальными электростанциями
появились электростанции использующие "цикл Калины". Их особенностью
является то, что горячая вода из земных недр передает свою энергию другой
жидкости. Такая схема называется бинарной или двухконтурной. В качестве второй
жидкости используют двухкомпонентную водно-аммиачную смесь. Свойства этой смеси
позволяют оптимизировать перенос тепла при ее испарении и конденсации. Поэтому
"цикл Калины" оказался эффективней других бинарных схем. КПД таких
электростанций гораздо выше по сравнению с традиционными геотермальными
электростанциями и это несомненно большой прогресс.
Дальнейшее развитие этой отрасли энергетики
обеспечит экономический рост страны, даст возможность отказаться от
использования не возобновляемых источников энергии и улучшить экологическую
обстановку.
2. Солнечная энергия
Строго говоря, почти все рассмотренные выше виды
возобновляемых источников энергии, так или иначе, связаны с энергией Солнца.
Именно поэтому Всемирная программа по освоению возобновляемых источников
энергии на 1996-2005 гг., одобренная Генеральной Ассамблеей ООН в 1998 г.,
названа Всемирной солнечной программой. Излучение Солнца, достигающее
поверхности земли, приносит огромное количество энергии, которая обычно
рассматривается как отдельный специфический вид.
Максимум плотности потока энергии излучения
Солнца на поверхности земного шара составляет 1 кВт/м2, средняя плотность - 0,2
кВт/м2. Величина этого потока зависит от географической широты, времени суток,
высоты над уровнем моря, облачности и степени рассеяния в атмосфере.
В разное время суток меняется угол наклона
солнечных лучей к поверхности Земли.
На земном шаре около 4 млрд га земли не
вовлечено в сельскохозяйственный оборот. Если вычесть из этой площади 10% для
размещения домов, дорог и других необходимых сооружений, учесть
продолжительность светового дня, облачность и другие факторы, то теоретический
потенциал энергии солнечного излучения на Земле составит примерно 9 трлн. т
н.э. в год. Технически возможным для использования считается не более 10% этого
потенциала.
С точки зрения экономики применение солнечной
энергии является оправданным только для небольших локальных водонагревателей.
«Солнечное» электричество пока в несколько раз дороже производимого на тепловых
и атомных электростанциях. Тем не менее, общая мощность солнечных
электростанций в 2005 г. составляла 3100 МВт, а самая большая из них построена
на юге Португалии (11 МВт).
2.1 История возникновения солнечных
батарей
Если говорить о зарождении такого явления, как
солнечные батареи, стоит совершить длительное путешествие в прошлое, а именно,
в 1839 год. Именно тогда Александр Беккерель совершил одно из ключевых открытий
- фотогальванический эффект. Уже тогда исследователи поняли, какие возможности
могут открыться перед ними, если правильно использовать данное открытие.
Длительное время ученые той эпохи пытались добиться каких-либо успехов в
использовании фотогальваники и спустя четыре десятилетия Чарльз Фриттс смог
создать первое устройство, использующее солнечную энергию. Использовав селен,
покрытый тонким слоем золота, ученые пришел к выводу, что можно получать из
тепловой энергии энергию электрическую. И хотя коэффициент полезной
деятельности созданного модуля не превышал одного процента, стало понятно, что
усовершенствование технологии приведет к значительному рывку в сфере получения
электричества. Очень долго время, практически целое столетие, ученые не могли
создать установку с КПД, превышающим процент. И лишь в 1954 году американские
ученые совершили прорыв: их батареи могли перерабатывать целых шесть процентов
тепловой энергии в электрическую! А уже спустя четыре года эта технология дала
возможность покорять космос, так как электроэнергию космические корабли
получали именно от солнечных батарей.
Инженеры поняли, что данный источник энергии
является полностью безопасным и экологическим, в отличие от традиционных,
поэтому исследования проводились с удвоенной силой. Таким образом, в
семидесятых годах прошлого века КПД солнечных батарей составлял уже 10
процентов. И если для космических программ такого показателя хватало вполне, то
использование модулей на Земле еще не было финансово обоснованным. Кроме того,
сказывалась и большая стоимость батарей, так как в качестве основного материала
использовался кремний, а его добыча была крайне дорогостоящим процессом.
3. Биотопливо
Биомасса может считаться возобновляемым
источником энергии только в том случае, если она используется в количестве, не
превышающем ее воспроизводство. В общем потреблении первичных энергоресурсов в
мире доля биомассы составляет в настоящее время по различным оценкам от 8 до
11%. В Китае, например, эта величина приближается к 20%, в Индии превышает 40%.
Ежегодно на земле произрастает и образуется биомассы в количестве 220 млрд. т
сухого вещества с теплотворной способностью около 105 млрд т н.э. Примерно 65%
биомассы можно использовать на энергетические цели, т. е. теоретический
энергетический потенциал биомассы составляет около 70 млрд. т н.э. в год, что
почти в 7 раз выше теоретического потенциала гидроресурсов при пересчете на
замещаемое топливо. Считается, что в рамках концепции устойчивого развития
можно использовать около 10% теоретического энергопотенциала биомассы, т.е. 7
млрд. т н.э. ежегодно. Реальное потребление в 2005 г. составило около 1,1 млрд.
т н.э., т. е. примерно 16%. Биомасса, используемая в качестве энергоносителя,
подразделяется на следующие основные категории:
• древесная (деревья, кустарник, лесная
подстилка, бамбук и т.п.);
• недревесная (сахарный тростник, солома,
хлопок, стебли и корни растений, трава, водные растения и т.д.);
• отходы переработки (шелуха, выжимки, скорлупа
орехов, пищевые отходы, опилки, муниципальные отходы, отходы бумажного и
гидролизного производства и т.д.);
• отходы животноводства;
• биотопливо (древесный уголь, топливные
брикеты, метанол, этанол, рапсовое масло, биогаз и др.).
Основными причинами недостаточного использования
энергопотенциала биомассы являются следующие:
• низкая калорийность по сравнению с
традиционными видами топлива;
• большая исходная влажность некоторых категорий
биомассы, требующая больших затрат на сушку;
• энергоемкость производства биотоплива
(например, биогаза);
• большая доля транспортных расходов для
энергоустановок большой мощности.
Несмотря на слабое использование существующего
потенциала, имеются значительные дополнительные возможности производства
биомассы на топливо. Например, в Африке используется только 25%
сельскохозяйственных угодий, Латинской Америке - 15%. Как следует из рис. 4,
всего в мире 2,4 млрд. га, или 31%, всех сельхозугодий, вовлечено в оборот в
настоящее время. Подсчитано, что к 2050 г., когда население Земли
предположительно увеличится до 8,5 млрд человек, потребуется дополнительное
вовлечение в сельское хозяйство около 0,5 млрд га земли, в то же время примерно
1,3 млрд га может быть использовано для производства биомассы на топливо.
Считается, что с 1 га в среднем можно получить
около 7 т н. э. энергии биомассы ежегодно. Таким образом, дополнительный
энергопотенциал биомассы может составить 9 млрд. т н. э. в год. Для этого
необходимы в соответствующем масштабе водные ресурсы, удобрения, техника,
инфраструктура и т.д.
4. Гидроресурсы
Гидроэнергия в настоящее время является самым
крупным возобновляемым источником производства электричества. Так, в 2007 г.
гидроэлектростанции планеты выработали около 3000 млрд. кВт-ч, или 16%, общего
производства электроэнергии.
Физической основой гидроэнергии являются
круговой процесс естественного испарения воды в океанах и крупных водоемах под
действием солнечной радиации, перенос влаги облаками, осаждение ее на земную
поверхность и возврат водными потоками в океаны и крупные земные водоемы
(озера). Исключением из этой схемы по направлению потока воды является река
Ангара, которая вытекает из озера Байкал и на которой построена одна из
крупнейших в мире гидроэлектростанций.
Зная суммарный расход и сезонные изменения
параметров водотоков, а также высоту над уровнем моря, можно определить
теоретический потенциал для каждого региона. Необходимо отметить, что из общего
объема потоков воды на земном шаре в 47 трлн. м3 только 28 трлн м3 - наземные
водотоки, остальные - подземные.
Примерно 3,5 трлн. м3 воды в мире ежегодно
расходуется на хозяйственные нужды (65% в сельском хозяйстве, 24% в
промышленности, 7% в муниципальном секторе).
Основными ограничениями в использовании энергии
рек и водотоков являются необходимость затопления большой площади земли при
создании плотин (в настоящее время эта площадь по всему миру составляет более
450 тыс. км3, что более чем в 2 раза превышает территорию Республики Беларусь)
и высокие капитальные затраты на строительство ГЭС. В последние годы во многих
странах развиваются технологии создания средних, малых и мини-ГЭС, в которых
эти ограничения до некоторой степени преодолеваются.
Распределение теоретического, технически и
экономически целесообразного потенциала гидроресурсов представлено на рис. 3.
Из рисунка видно, что даже теоретический потенциал гидроэнергии всего лишь в
2,2 раза превышает наши нынешние годовые потребности в электроэнергии,
технически возможный способен их удовлетворить только на 76%, а экономически
целесообразный - на 39%.
Таковы возможности использования энергии воды.
Отметим, что на уровне 2007 г. 43% экономически целесообразного потенциала
электроэнергии уже реализуется. С учетом высоких капитальных затрат на
строительство ГЭС и достаточной освоенности гидроресурсов в экономически
развитых странах в ближайшие десятилетия не следует ожидать значительного
расширения их использования.
геотермальный солнечный биотопливо
ветер
5. Энергия Мирового океана
В общем случае можно использовать следующие виды
энергии океана:
•приливов и отливов;
•волновую;
•тепловую, обусловленную разностью температур по
глубине;
•диффузионную, связанную с разностью
концентраций соли во впадающих в океан реках и в основной массе океанической
воды.
Подавляющая часть теоретического потенциала
приходится на тепловую энергию. Однако в настоящее время можно говорить только
об использовании энергии приливов и отливов. В мире работает несколько
приливных электростанций, общая мощность которых в 2005 г. составляла около 300
МВт.
5.1 Энергия волн
Существует несколько видов волн в зависимости от
их происхождения и характеристик. Обычно когда речь идет об энергии волн, то
что мы имеем ввиду, это ветровые волны, которые образуются из-за ветра, дующего
через обширные океанские пространства. Эти волны могут рассматриваться в
качестве важного источника энергии сами по себе. Ветер, в свою очередь,
образуется из-за неравномерного распределения солнечной энергии по земной
поверхности. Средняя плотность энергии волн в океане довольно низкая около 2,7
Вт/м2, что значительно ниже средней плотности солнечной энергии. Однако при
возникновении высоких волн энергия становится более концентрированной.
Есть и другой тип волн - прибой, который можно
наблюдать в прибрежных зонах. Их энергия так же может рассматриваться в
качестве источника энергии, преимущественно местного значения.
Кроме ветровых волн, есть и приливные волны. Их
энергия так же велика, но они рассматриваются отдельно от ветровых волн.
Энергию одиночных волн, известных как цунами практически невозможно обуздать.
До сегодняшнего дня волновые энергетические
установки создавались только как небольшие пробные объекты, поэтому у нас
недостаточно материалов, чтобы утверждать или опровергать их негативное
воздействие на окружающую среду. Тем не менее, можно сделать несколько
замечаний.
Любая установка, соединенная для извлечения
энергии волн, влияет на гидродинамический режим в месте её работы. Это приводит
к перераспределению океанских донных отложений с живущими там организмами и растениями.
Они так же могут изменить прозрачность и мутность воды.
Однако кроме всех этих недостатков возведение
волновой энергетической установки вблизи побережья может иметь и положительный
характер. Сильные волны, бьющиеся о берег могут повредить портовые постройки,
пляжи, имущество и т.д. Поэтому для защиты в прибрежной части сооружают
дорогостоящие волнорезные конструкции. Волновая энергетическая установка будет
поглощать часть энергии волн, снимая их разрушительное воздействие.
До настоящего времени волновые установки в
основном рассматривались как малые сооружения для обеспечения энергией
удаленных населенных пунктов и размещались в прибрежной части, преимущественно
на островах. Обычное энергоснабжение в таких случаях в основном основано на
дизельных генераторах, работающих на привозном, а значит дорогом топливе.
Так как больших коммерческих волновых
энергетических установок не существует пока, невозможно сообщить какие либо
достоверные сведенья об их конкурентоспособности, а именно - стоимость
установки одного киловатта мощности и стоимость произведенного электричества.
Кроме стоимости самого оборудования они будут так же в большей степени зависеть
от волнового режима в выбранном месте, а именно - от характеристик волн и от их
наличия в течение года. Требуемые гидрологические данные обычно недоступны. Тем
не менее, существующие прогнозы и проектные расчеты дают некоторую информацию о
возможной стоимости электричества, вырабатываемого волновыми установками.
Согласно этим оценкам стоимость 1 кВт/часа превысит 0,16 долл., что дороже, чем
электричество, произведенное любым другим неисчерпаемым источником энергии.
Более оптимистические прогнозы были сделаны в 1994-1999 гг.: стоимость
электроэнергии вырабатываемой серийными электростанциями, будет предположительно
ниже, прядка 0,10-0,14 долл. За 1 кВт/час.
5.2 Энергия приливов и отливов
В отличие от источников энергии, обсуждаемых
выше, приливы вызываются гравитационным взаимодействием между Луной, Землёй и
Солнцем, причем наибольшее значение имеет взаимодействие между Луной и Землей.
Гравитационное притяжение проявляет себя в поднятии земной поверхности вдоль
прямой, соединяющие эти два небесных тела. На суше этот подъем едва заметен, в
то время в океане он может достигать в высоту несколько метров. Сила гравитационного
притяжения накладывается на центробежную силу, возникающая вследствие вращения
системы Земля-Луна вокруг их общего центра притяжения. Он находится внутри
земной сфер на расстоянии 4670 км от центра планеты.
Солнце вызывает такие же приливы, но так как
расстояние между Землёй и Солнцем огромно, следовательно, приливы слабей.
Согласно документам, люди начали использовать
энергию приливов ещё в XI в. для получения энергии маленькие заливы
отгораживались от моря дамбами, в которых были проделаны шлюзовые ворота.
Ворота открывались приливным потоком, в то время как прибывающая вода заполняла
бассейн, и закрывались во время отлива. Вода, оставшаяся в бассейне,
использовалась во время отлива для приведения в движение различных механизмов.
В XIX в. подобные установки использовались в Гамбурге для перекачки сточных
вод, а в 1824 г. Лондонский Сити снабжался питьевой водой при помощи огромных
водяных колес, установленных ещё в 1580 г. Под арками Лондонского моста, где
они продолжали работать в течение 250 лет. И в наши дни в штате Новая Англия,
США, существуют установки, использующие энергию приливов для приведения в
движение лесопильной рамы.
Середина XIX века была отмечена большим
количеством предлагаемых проектов и предложений по применению эн7ергии приливов.
С развитием электричества приливная энергия стала рассматриваться в качестве
ресурса для получения электроэнергии. Основные принципы использования энергии
приливов остались прежними, но вырос масштаб установок, произошло существенное
усовершенствование оборудования и были разработаны новые идеи и объединения
приливных электростанций в единую энергосистему.
Выделяются деньги на постройку различного рода
приливных электростанций на больших заливах или устьях рек, где наблюдаются
высокие приливы. За этим следует постройка дамбы при входе в залив, для того
чтобы отгородить бассейн от моря. В дамбы, которые в некоторых проектах
достигают несколько километров в длину, вмонтировано большое количество турбин,
так что суммарная мощность приливной электростанции может достигать сотен и
даже тысяч мегаватт.
Что касается извлечения энергии, современные
приливные электростанции схожи с гидроэлектростанциями. В некоторых случаях
турбины приливной электростанции - в отличии от гидроэлектростанции - работают
в двухстороннем режиме: при потоке воды, направленном в одну сторону, когда
прилив заполняет бассейн, и когда вода движется в другую сторону при
опустошении бассейна. Такой режим работы называется двойным действием, или
двойным эффектом.
Приливные электростанции по сравнению с
гидроэлектростанциями имеют один серьезный недостаток, а именно - пульсирующий
характер приливов, известный как непостоянство приливов. Энергетический
потенциал прилива меняется не только с суточным чередованиями прилива и отлива,
но также в связи с изменениями его высоты в течении лунного месяца, когда Луна
переходит из сигизии в квадратуру. Например, в соответствии с проектными
расчетами производительная мощность приливной электростанции в Кводди, США,
будет возрастать с 30 до 70 МВт, затем снова снижаться до 30 МВт. Ещё более
значительные изменения мощности будут происходить в ходе сигизийных приливов.
Совершенно ясно, что такое положение вещей не устраивает потребителей
электроэнергии, которые нуждаются в постоянном и не перебойном электроснабжении.
Было множество предложений относительно способов
решения этой проблемы. Наиболее простым способом приведения объемов выработки
энергии станцией в соответствие с потреблением является разделение бассейна на
две или более секции (многоотсековая схема бассейна), накапливать некоторый
объем воды, а затем использовать её по мере надобности, таким образом,
сглаживая колебания уровня прилива. Это преимущество достигается за счет
максимальной мощности станции, которая сокращается прямо пропорционально количеству
секций.
Существует ещё один способ рационального
использования приливной электростанции, когда она входит в крупномасштабную
энергосистему, объединяющую электростанции различного типа: тепловые,
гидроэлектростанции, атомные. В этом случае используется одинарный бассейн, и
приливная электростанция производит максимальное количество энергии в
соответствии с циклом прилива. Если в системе наблюдается избыток мощности, то
в этом случае тепловая электростанция может снизить выработку электричества,
экономя тем самым запасы ископаемого топлива; в случае аналогичного снижения
объемов выработки энергии гидроэлектростанцией используется специальный верхний
резервуар, в котором хранится воды.
Дальнейшее усовершенствование этой системы может
быть достигнуто при использовании приливной электростанции в качестве запасника
воды в перерыве между приливами. В такой схеме излишек производимой энергии
тратится на перекачивание воды из моря в бассейн станции. В это время
генераторы электростанции используются в качестве электромоторов, а её турбины
работают в режиме насосов. Когда системе потребуется достижение пиковой
нагрузки, накопленная вода будет выпущена через турбины электростанции, что
позволит выработать необходимую дополнительную энергию. Достижение оптимального
контроля над работой такой схемы - достаточно сложная задача, требующая учета
реальных характеристик системы и особенностей приливной электростанции.
Сегодня по всему миру уже действует несколько
приливных электростанций. Первой коммерческой проливной электростанцией
является 240 МВт в Рансе (Франция), которая была ведена в эксплуатацию в 1967
году и до сих пор функционирует. За ней последовала пробная станция «Кислая
Губа» в России, построенная в 1965-1968 гг. приливная электростанция в
Анаполисе мощность 20 МВт была сооружена в Канаде в 984 году в качестве
пробного проекта для будущей мощной электростанции. В течение 1960-х гг. в
Китае был установлен ряд более мощных установок. Сейчас действуют 7 приливных
электростанций суммарной мощностью в 10 МВт. Электростанция Цзянся мощность 3,2
МВт была сделана в Китае в 1986 г. Кроме этих действующих электростанций
существуют ещё ряд проектов, для которых ведется поиск мест установки с
подходящими условиями. Однако их сооружение обычно откладывается, главным
образом по причине высоких капитальных расходов, которые делают цены на
электричество, производимое приливными электростанциями, не конкурентно
способными по сравнению с ценами на энергию, произведенную другими типами
станций, особенно если принять во внимание низкие в последнее время цены на
нефть.
Тем не менее конструкторские работы в этом
направлении продолжаются, проявляются новые проекты, предлагающие новые более
дешевые способы возведения приливных электростанций, и с развитием оборудования
наблюдается тенденция к снижению затрат на их строительство и эксплуатацию. Они
оказываются ещё более привлекательными, если принять во внимание то, что они
являются экологически безопасными источниками энергии. Многие исследования
также подтверждают, что сооружение приливных электростанций может оказаться
выгодно с социальной точки зрения. Всё это говорит о том, что в ближайшем
будущем мы станем свидетелями строительства новых мощных приливных
электростанций во многих странах мира.
5.3 Тепловая энергия
Температура воды океана в разных местах
различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается
до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров)
температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С).
Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для
получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой,
производить электричество? Да, и это возможно.
В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод,
одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил
исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он
сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22
киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими
учеными.
Используя теплую воду на поверхности и холодную
на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым
для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой
энергии океана. "Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах
имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность
в ней".
"Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод
получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это
прибыль?" Не дало, так как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду
пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.
Сейчас приобрела большое внимание
"океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение
электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми
насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом
цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.
Последние десятилетия характеризуется
определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы
установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn
Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В
августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая
установк мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной
месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной
работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно
возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла
в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка
отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку
аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные
нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов,
потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.
Три насоса потребовались из следующего расчета:
один - для подачи теплой воды из океана, второй - для подкачки холодной воды с
глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри
самой системы, т.е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий
жидкости применяется аммиак.
Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под
ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом
служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см.
Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в
случаи необходимости его быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба
одновременно используется и для заякоривания системы труба-судно.
Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные
постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма
серьезной проблемой.
Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС
смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и
собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро
построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к
проектированию еще более мощных систем подобного типа.
Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков
и сотен мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в
верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все
необходимые устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода
холодной воды расположится в океане на глубине 25-50 м. Машинный зал
проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены
турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование.
Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на
километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького
островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для
обслуживания системы и для связи с берегом.
Представляется, что некоторые из предлагавшихся
океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать
рентабельными уже в настоящее время.
6. Энергия ветра
Так как ветер - это поток воздуха,
распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может
рассматриваться в качестве источника энергии. Кинетическая энергия единицы
воздушной массы пропорциональная квадрату скорости ветра, а удельная мощность,
переносимая ветром через единицу площади, пропорциональна кубу скорости ветра.
Поэтому главной характеристикой ветра как источника энергии является его
скорость.
Неравномерность распределения солнечного излучения
по всему земному шару, различие в течение дня и ночи и различные физические
характеристики морской воды и суши приводят к неоднородности атмосферной
температуры и давления, что приводит к появлению ветра. Более или менее
широкомасштабная и постоянная циркуляция воздуха, вызываемая разницей в
температурах, происходит между экваториальными регионами и более высокими
широтами. Эта разница вызывает движение воздуха в верхних слоях атмосферы от
экватора к северу и югу, а в нижних - в обратном направлении. Действующая на
эти потоки сила Кориолиса, отклоняет верхний поток к востоку, а нижний к
западу, вызывая пассаты. Северо-восточные и юго-восточные пассаты являются
одними из самых постоянных ветров на Земле со средней скоростью от 8 до 14 м/с.
Скорость ветра имеет тенденцию к росту по мере приближения к южным широтам
вплоть до 60-й параллели.
Существует так же более или менее постоянные
ветра местного масштаба. Вблизи морского или океанского побережья можно
наблюдать бризы, которые в дневное время дуют с моря на сушу, а ночью наоборот.
Муссоны также являются постоянными ветрами, меняющими свое направление дважды в
год. Они возникают из-за сезонных температурных различий между сушей и океаном.
Более или менее постоянные ветра с достаточно большими скоростями существуют в
горных областях на гребнях, в ущельях и теснинах. Однако, в общем и целом ветер
имеет непостоянную природу, что следует принимать во внимание разрабатывая
планы по использованию ветра в качестве энергоисточника.
Существует два типа механизмов, подъемные и
тянущие, которые способны преобразовывать мощность ветра в роторе в полезную
энергию. В первом типе механизмов движущей силой является аэродинамическая
подъемная сила, возникающая вследствие взаимодействия потока воздуха с
аэродинамической поверхностью лопасти.
Этот же принцип действует и в самолетном крыле.
Второй тип использует тянущую силу.
Механизмы, основанные на силе тяги, чаще всего
меньших размеров с многополярными роторами, их применяют при низкой скорости
ветра.
Главная часть ветроэнергетической установки -
ротор. У крупных машин обычно бывает две или три лопасти, которые крепятся к
втулке. Остальные узлы ветродвигателя размещены в гондоле, которая расположена
на вершине высокой башни. Высота башни обычно примерно равна диаметру ротора.
Большие установки в пределах сотен киловатт
подключаются к общей энергосистеме. В местах с благоприятными характеристиками
ветра целесообразно устанавливать сразу несколько ветровых установок, образуя
при этом ветровую электростанцию, что позволяет снизить эксплуатационные
расходы. Подобные электростанции обычно высоко автоматизированы и обслуживаются
небольшим персоналом. К ветровой турбине могут быть подсоединены два типа
электрогенераторов: синхронный и асинхронный. В синхронном генераторе в обмотке
ротора возникает магнитное поле, четко сопряженное с вращающимся магнитным
полем статора. Поэтому ветровая турбина, соединенная с синхронным генератором,
должна вращаться со строго постоянной скоростью, определяемой частотой сети.
На роторе асинхронного генератора нет обмотки,
он состоит из короткозамкнутой обмотки - медных стержней, расположенных внутри
сердечника из железных листов. Магнитное поле в таком роторе вызывается
вращающимся магнитным полем статора. Однако это возможно только при наличии
разницы между скоростью вращения ротора и частотой вращения магнитного поля
статора. В режиме генератора ротор вращается быстрее магнитного поля со
скольжением при нормальной работе порядка 1%. Преимущество асинхронного
генератора состоит в том, что он обеспечивает более мягкое соединение ротора
ветродвигателя с генератором. Незначительные изменения в скорости ветра не
вызывают механического напряжения в приводе трансмиссии, так как они могут быть
скомпенсированы незначительными изменениями скольжения в случае с синхронным
генератором ротор ветродвигателя не может изменить скорости своего вращения, и
неизбежные порывы ветра вызывают нежелательное механическое напряжение во всех
узлах трансмиссии.
Как большинство неисчерпаемых источников
энергии, энергия ветра предоставляется более предпочтительной в сравнении с
обычными электростанциями, так как здесь отсутствует сжигание топлива и вредные
выбросы в окружающую среду. Однако существуют другие аспекты, на которые
следует обратить внимание, например противники ветровой энергии, заявляют, что
высокие башни нарушают пейзаж. Но этот аргумент не так уж серьезен по своей
сути. Но как было продемонстрировано на примере многих ветряных электростанций,
как люди, так и птицы со временем привыкают к вращающимся лопастям.
Более серьезной проблемой может оказаться шум,
производимый ветровыми установками. Были проведены соответствующие измерения, с
помощью которых было определено расстояние, на котором шум от станции снижается
до приемлемого уровня.
Во время работы кроме слышимых звуков турбины
также издают звуковые волны частотой ниже порога слышимости. Этот так называемый
инфразвук происходит от пертурбации воздушного потока во время прохождения
лопасти вдоль башни. Так как скорость вращения ротора ветродвигателя обычно
составляет 1 Гц, то для трехлопастного ротора частота примерно равна 3 Гц.
Утверждается что инфразвук, распространяющийся на достаточно большие
расстояния, может быть опасен для живых существ, так что эта проблема требует
более детального изучения.
Существует также беспокойство, что громадные
конструкции с их вращающимися пропеллерами могут вызывать помехи в телевещании
на территории, прилегающие к станции.
6.1 Экономическая эффективность
использования энергии ветра
Последнее десятилетие XX в. было отмечено бурным
ростом числа ветровых установок во многих странах. В таблице представлены
производственные мощности установок (МВт), включенных в общую энергосистему, в
десяти ведущих в этой области странах на 1998 г.
Производственные мощности ветровых установок,
МВт (на 1998г):
США - 1794;
Германия - 1567;
Индия - 820;
Дания - 820;
Голландия - 305;
Великобритания - 264;
Испания - 216
Швеция - 105;
Италия - 70;
Китай - 57.
На рубеже столетий установки по всему миру
производили около 20 млн. кВт электричества. Более того, число новых
ветродвигателей продолжает расти с достаточно большой скоростью. На это существует,
по крайней мере, две причины. Первая - экологический интерес, и главный среди
них - намерение сократить выбросы СО2 в атмосферу. Вторая - экономические
интересы, так как стоимость электроэнергии, производимой ветровыми установками,
становится конкурентно способной с ценой на электричество, производимое
традиционными атомными электростанциями, работающими на ископаемое топливе.
Стоимость электричества, произведенного ветровой
турбиной или ветровой электростанцией, зависит от стоимости самой установки,
коэффициента работоспособности и эксплуатационных расходов. С ростом
производительности стоимость одного установленного киловатта ветровой установки
постоянно снижается. Десять лет назад стоимость установки одного киловатта
мощности равнялась примерно 5000 долл. А сейчас она снизилась до 1000 долл., и
некоторые производители утверждают, что она даже ниже.
Существует также четкая тенденция к увеличению
производственной мощности установок. В начале 1980-х гг., большинство
ветродвигателей обладало мощностью 100 кВт. Следующим шагом было увеличение
производственной мощности до 300 кВт, затем до 500 кВт, а устанавливаемые в
последнее время системы имеют мощность 700-750 кВт. Ведущие производители
изготавливают установки в несколько мегаватт, главным образом для использования
в море, достигая при этом экономического эффекта от повышения масштаба,
принимая во внимание стоимость возведения башни. Тенденция к росту
производственных мощностей установок сохраняется.
Эксплуатационные расходы также снижаются с
повышением мощностей, и обслуживание целой электростанции обходится дешевле,
чем содержание отдельной ветровой установки.
Без сомнения, в скором будущем установки,
преобразующие энергию ветра, будут способны конкурировать с электростанциями,
работающими на ископаемом топливе, особенно в регионах с благоприятным ветровым
режимом. Стоимость энергии, полученной от преобразования энергии ветра и
стоимость установки одного киловатта, зависят от объемов производства энергии
за год, а также от расходов по хозяйственно-техническому обслуживанию. Все эти
три показателя постепенно улучшаются, тем самым, снижая стоимость энергии,
производимой ветровыми турбинами до уровня, сравнимого со стоимостью
электрической энергии, произведенной обычным способом.
Заключение
Потенциал возобновляющихся энергоресурсов,
питающихся энергией солнца и возникающих вследствие взаимодействия Земли, Луны
и Солнца, огромен. Были разработаны различные технологии по извлечению и
использованию их энергии, которые непрестанно совершенствуются, что повышает
конкурентоспособность возобновляемых источников энергии по сравнению с
традиционными. Большинство возобновляемых источников энергии являются
экологически чистыми, что сегодня является явным преимуществом. Биомасса и
энергия ветра уже сейчас играет немало важную роль в энергетическом балансе
некоторых стран. Проекты по использованию энергии волн и преобразовании
термальной энергии океана большей частью находятся на стадии разработки, и их
использование ограничено несколькими экспериментальными установками. Энергия
приливов уже сейчас используется на коммерческом уровне и обещает серьезное
развитие.
Будущее возобновляемых источников энергии,
обсуждаемых здесь, зависит от ряда факторов: рост энергопотребления, рост
численности населения, цены на ископаемое топливо, общественное мнение по
поводу развития атомной энергетики, экологические вопросы и множество других.
Литература
1.
Энциклопедия систем жизнеобеспечения. Знания об устойчивом развитии. 2005г Том
2 ред. Е.Е. Демидова, А.М. Лильчук и т.д.
.
Вестник Российских наук: научный общественно-политический журнал. Том 76 №5.
Статья Н.П. Лаверов «Топливо-энергетические ресурсы».
.
Михалевич, А.А. Атомная энергетика: перспективы для Беларуси / А.А. Михалевич.
- Минск: Беларусь, Навука, 2011. - 262 с. - ISBN 978-985-08-1325-i.
Приложение
