Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

ВЕТЕР

Ветер дует везде – на суше и  на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.

Среднегодовые скорости воздушных потоков пассатов и западного ветра на стометровой высоте превышают  7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.   Если взять только нижний 100-метровый слой и поставить установку на 100 квадратных километров, то при  установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за год 5  триллионов киловатт-часов, что в 2 раза  больше гидроэнергетического потенциала  стран СНГ.

УПРЯЖЬ ДЛЯ ВЕТРА

Принцип действия всех ветродвигателей  один: под напором ветра вращается  ветроколесо с лопастями, передавая  крутящий  момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию,  водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие – длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров,  что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 М7Вт. Сегодня самые крупные из них – вдвое «слабее».  В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать  на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.

Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более  дорогую.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей  известны так давно, что история  умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности делятся на две группы:

1.ветродвигатели с горизонтальной осью  вращения (крыльчатые);

2.ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых  достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости  вращения лопастейкрыльев, требуется  устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью  применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных .  В то же время, у карусельных – намного  больше момент вращения. Он максимален  для карусельных лопастных агрегатов при  нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их  вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно  пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении  с традиционными  ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают  силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели  тихоходны и это позволяет использовать  простые электрические схемы, например, с  асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.  Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых  оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование  мультипликаторов (Мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] – повышающий редуктор  не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом  карусельной конструкции стала  ее способность  без дополнительных ухищрений следить за  тем «откуда  дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков.  Ветродвигатели подобного типа строятся в  США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный  ветродвигатель  наиболее прост  в эксплуатации. Его конструкция  обеспечивает максимальный момент при  запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной  скорости вращения в процессе работы. С  увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий  момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется  тот же профиль  крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде  чем «опереться» на подъемную силу крыла,  должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить  и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Отбор мощности начинается при скорости  ветра около 5 м/с, а номинальная мощность  достигается  при скорости 14-16 м/с. Предварительные  расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до  20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому  движутся крылья, составит около 80 метров.

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми –  взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем  можно просуммировать  выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Неожиданные проявления и  применения.  Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковыез колебания.

ТЕРМАЛЬНАЯ   ЭНЕРГИЯ   ЗЕМЛИ.

Мощность извержения  даже  сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека.  Правда,  о  непосредственном  использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится-нет пока у людей  возможностей  обуздать  эту  непокорную стихию,  да и,  к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии,  таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через  огнедышащие жерла вулканов. Маленькая европейская  страна  Исландия- "страна  льда"  в дословном переводе- полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами!  Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли- других местных источников  энергии  в Исландии практически нет.  Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли.

ЭНЕРГИЯ  ВНУТРЕННИХ   ВОД.

Огромные запасы энергии  скрыты в текущей воде как Мирового Океана, так и внутренних вод. Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Но когда наступил золотой  век  электричества,  произошло возрождение  водяного колеса,  правда,  уже в другом обличье - в виде водяной турбины.  Электрические генераторы,  производящие энергию,  необходимо было вращать,  а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. Преимущества гидроэлектростанций  очевидны- постоянно  возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации,  отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую  помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины,  нужно  накопить  за плотиной огромный запас воды.  Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем  гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.  Поэтому в начале 20 века было построено всего  несколько  гидроэлектростанций

Пока людям служит лишь небольшая часть  гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными.  Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

 

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И РAЗМЕЩЕНИЕ ГЭС

Основными покaзaтелями, позволяющими оценить гидроэнергетический  потенциaл  регионов, являются водность рек и нaличие знaчительных  перепaдов высот  рельефa. Совокупность дaнных по объему стокa местных водотоков, крупных  трaнзитных рек и aмплитуде рельефa является достaточной для aдеквaтной  оценки потенциaльной энергетической мощности рaботы воды нa кaждой  территории, если при этом не стaвить зaдaчи рaсчетa мегaвaтт потенциaльной  мощности ГЭС.

 

ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА

В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии . Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая  перегреву поверхностных вод  океана по сравнению с донными,  скажем, на 20 градусов,  имеет величину порядка 10^26 Дж. Кинетическая энергия  океанских течений оценивается величиной порядка  10^18 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так  что  такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Океан таит в себе несколько  различных видов  энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию,  и др.

Энергия Приливов.

Наиболее очевидным  способом использования океанской  энергии представляется постройка  приливных электростанций (ПЭС). С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает  ПЭС мощностью 240 тыс.  кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт*ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ  постройки блоков  ПЭС,  буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети  в  часы  их максимальной нагрузки потребителями. В 70-х годах  ситуация  в   энергетике изменилась.  Каждый раз, когда поставщики на   Ближнем Востоке,  в Африке и  Южной Америке поднимали цены   на нефть,  энергия  приливов  становилась все более  привлекательной, так

Начиная с 1966  года  два  французских города полностью  удовлетворяют  свои  потребности  в  электроэнергии  за    счет энергии приливов и  отливов.

Получение  Энергии За Счет Разности Химического Состава

Воды

В океане растворено огромное количество солей. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей  Скриппского океанографического института в Ла- Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они считают,  что для получения большого количества энергии вполне возможно  сконструировать батареи,  в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.

Энергия Биомассы Океана

В океане  существует  замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. При поддержке военно-морского  флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую  в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 метров) под залитой солнцем  гладью  Тихого  океана вблизи города Сан- Клемент. Ферма была небольша,  по сути своей, все это было лишь экспериментом. На  ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли.  По мнению директора проекта доктора Говарда А.  Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и  океанских  систем  в Сан-Диего (Калифорния), "до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо- в природный газ  метан(С2Н6). Океанские фермы будущего,  выращивающие  бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га),  смогут давать энергию, которой хватит,  чтобы  полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек".

Энергия Океанских Течений

Не так  давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт,  что Гольфстрим несет  свои  воды  вблизи  берегов  Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой.      Общее  мнение учёных заключалось  в  том, что   имеют  место определенные  проблемы, но все они могут быть решены в  случае  выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".

Термальная  Энергия Океана

«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.

Внутренняя  Энергия Молекул Воды

Конечно,  доступ к  запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет  великолепные возможности,  но (по  крайней  мере пока) электричество  не  поднимает  в небо самолеты,  не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы,  не поведет корабли через моря. Однако самолеты и легковые автомобили,  автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом,  который можно извлекать из воды,  а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород- один из наиболее распространенных элементов  во  Вселенной.  В океане он содержится в каждой капле воды.  Помните формулу воды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не  только  для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии. Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к "водородной энергетике" будущего,  так как  полученный водород достаточно удобно хранить:  в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423  градуса по Фаренгейту (-203 С).  Его можно хранить и в твердом виде после соединения с  железо-титановым  сплавом или с  магнием  для образования металлических гидридов.  После этого их можно легко транспортировать и использовать  по  мере необходимости.  Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время,  предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге "Таинственный остров"  он  предсказывал, что в  будущем  люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света". Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них - электролиз воды.  (Через воду пропускается электрический ток,  в  результате чего происходит химический распад.  Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.)  В 60-е  годы  специалистам  из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно  собирать высвобождающийся  водород,  что  получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе "Аполлон".