Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

 

 

П Л А Н    Р Е Ф Е  Р А Т А

 

 

 

1.Вступление.

2.Энергия Солнца.

  -Гелиоустановки на широте 60°

  -Гелиомобиль сегодня

  -Преобразователи солнечной энергии

  -.Жилой дом с солнечным отоплением

3.Ветровая энергия.

  -Ветер

  -Упряж для ветра

  -Неожиданные проявления и применения

4.Энергия Земли

5.Энергия внутренних вод

  -Гидроэнергетические ресурсы и рaзмещение ГЭС

6.Энергия мирового океана.

  -Энергия приливов

  -Получение энергии за счет разности хим. состава воды

  -Энергия биомассы океана

  -Энергия океанских течений

  -Термальная энергия океана

  -Внутренняя энергия молекул воды

7.Энергия биомассы.

9.Заключение.

10.Список используемой литературы.

 

ВСТУПЛЕНИЕ.

Сейчас, как никогда  остро встал вопрос, о том, каким будет будущее

планеты в энергетическом плане. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы,  осуществление которых потребует громадных усилий  и огромных  материальных затрат. Если в конце прошлого века  энергия  играла,  в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль,  то уже в 1930  году  в мире  было  произведено  около  300  миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры  людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию.  А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше. Ученые и изобретатели уже давно разработали  многочисленные  способы  производства энергии,  в первую очередь электрической. Неумолимые законы природы утверждают,  что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию  и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась  таким  образом,  что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии,  преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Сейчас в мире все  больше ученых   инженеров занимаются  поисками  новых,  нетрадиционных  источников   которые  могли бы взять на себя хотя бы часть забот  по снабжению   человечества энергией. Нетрадиционные возобновляемые

источники энергии   включают   солнечную, ветровую, геотермальную

энергию, биомассу и   энергию  Мирового океана.

 

 

ЭНЕРГИЯ   СОЛНЦА .

В последнее время  интерес к проблеме  использования  солнечной энергии резко возрос,  и хотя этот источник также относится  к возобновляемым,  внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.  Потенциальные возможности энергетики,  основанной на  использовании непосредственно солнечного излучения,  чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0.0125 %  этого количества энергии Солнца могло бы  обеспечить  все  сегодняшние потребности мировой энергетики,  а использование 0.5 %  - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению,  вряд  ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах.  Одним из наиболее  серьезных  препятствий  такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.  Даже при наилучших атмосферных условиях  ( южные широты,  чистое небо ) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. По- этому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию,  необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км2 !  Необходимость использовать  коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор  солнечного  излучения представляет собой зачерненный металлический ( как правило,  алюминиевый )  лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии,  поглощенной  коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью  1 км2,  требует примерно 10^4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10^9 тонн.  Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.  Предположим,  что в будущем для изготовления коллекторов станет  возможным применять не только алюминий,  но и другие материалы.  Изменится ли ситуация в этом случае ?  Будем исходить из того,  что на  отдельной фазе развития энергетики ( после 2100 года ) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за  счет  солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади  от 1*10^6 до 3*10^6 км2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10^6 км2.Солнечная энергетика относится к наиболее  материалоемким видам производства   энергии. Крупномасштабное  использование солнечной энергии влечет за собой гигантское  увеличение  потребности в материалах,  а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья,  его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают,  что для  производства  1  МВт* год электрической энергии  с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов.  В традиционной энергетике  на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами,  обходится  намного  дороже,  чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут  на опытных установках и станциях, помогут решить не только  технические, но и экономические проблемы.

Первые попытки использования  солнечной энергии на коммерческой основе   относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась  фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.  Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности,  причем, стоимость 1 кВт/ч энергии – 7-8  центов. Это ниже, чем на традиционных  станциях. В ночные часы и зимой энергию  дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы – солнце.  Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные  источники энергии ближайшего будущего,  способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве  партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной «кандидатурой» является водород. Его получение с  использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий  высокой теплотворной способностью, легко  транспортировать и длительно хранить.  Отсюда вывод: наиболее экономичная  возможность использования солнечной  энергии, которая просматривается сегодня  – направлять ее для получения вторичных  видов энергии в солнечных районах земного  шара. Полученное жидкое или газообразное  топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.  Быстрое развитие гелиоэнергетики стало  возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в  расчете на 1 Вт установленной мощности с  1000 долларов в 1970 году до 3-5 долларов в  1997 году и повышению их КПД с 5 до18%.  Уменьшение стоимости солнечного ватта до  50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

ГЕЛИОУСТАНОВКИ  НА ШИРОТЕ 60°

Одним из лидеров практического  использования энергии Солнца стала  Швейцария.  Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях  мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных  коллекторных устройств для получения  тепловой энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая  под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение  экологических проблем и энергетическую  независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

ГЕЛИОМОБИЛЬ СЕГОДНЯ

Ежегодно в Швейцарии  проводится международное ралли  солнцемобилей «Тур де  сол». Трасса ралли, протяженностью 644 километра, проложена  по дорогам северо-западной Швейцарии  и Австрии. Гонки состоят из 6 однодневных  этапов, длина каждого  – от 80 до 150 километров.

Швейцарские граждане возлагают  большие надежды на децентрализованное производство электрической и тепловой энергии  собственными гелиоустановками. Наличие персональных гелиостанций стимулирует развитие в стране электроники  и электротехники, приборостроения,  технологии новых материалов и других наукоемких отраслей.

Прошло четыре года. «Тур де сол» превратился в неофициальный  чемпионат мира. В  пятом «солнечном ралли», состоявшемся в  1989 году, участвовало  свыше 100 представителей из ФРГ, Франции, Англии, Австрии,  США и других стран. Тем не менее, больше  половины гелиомобилей принадлежало по-прежнему швейцарским первопроходцам.

В течение последующих  пяти лет появилось понятие серийный гелиомобиль. Гелиомобиль считается  серийным, если фирма-изготовитель продала не менее 10-ти образцов  и они имеют сертификат, разрешающий движение по дорогам общего пользования.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

В преобразователях первого  типа солнечные лучи концентрируются  на небольшом  участке, температура которого поднимется  до 3000°С. Такие установки уже существуют.  Они используются, например, для плавки  металлов.

Самая многочисленная часть  солнечных  преобразователей работает при гораздо  меньших температурах – порядка  100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу.  Сконцентрированным солнечным теплом  сушат овощи, фрукты и даже замораживают  продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц  в ночное время.

Солнечные установки  практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте  и требуют затрат лишь на их  сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы,  дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является  основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с  водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого  действия.

Наиболее эффективно их можно использовать в южных  широтах, но и в средней полосе  они находят применение. Зеркала  в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного алюминия.

Водонагреватель  Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств

Дневная производительность на широте  50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе  достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

Тепловые  концентраторы  Каждый, кто хоть раз бывал в теплицах,  знает, как резко отличаются условия внутри  нее от окружающих: Температура в ней выше . Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены,  конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По  сходному принципу работают и тепловые  концентраторы.

Это – деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной  стороны закрытые одинарным или  двойным стеклом.  Внутрь короба для максимального поглощения солнечных  лучей вставляют волнистый  металлический  лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или  вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

ЖИЛОЙ ДОМ С  СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ

Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 55°, поступающей  в сутки  на 20 м2  горизонтальной поверхности, составляет 50-60 кВт/ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2  .

Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней  полосы наиболее  подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается  в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:

- нет опасности, что  система замерзнет;

-нет необходимости  в трубах и кранах;

- простота и дешевизна.

Недостаток – невысокая  теплоемкость  воздуха.

Конструктивно коллектор  представляет  собой ряд застекленных  вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена матовой краской, не дающей запаха  при нагреве. Ширина короба около 60 см.  В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По  сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

 

ВЕТРОВАЯ   ЭНЕРГИЯ.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра  более чем в сто раз превышают  запасы  гидроэнергии  всех рек  планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры- от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем.

Существенным недостатком энергии ветра является его изменчивость во времени, но  его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их  мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор  может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.