Использование экологически чистых источников энергии

Энергия солнца.

Солнце — источник энергии очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях. На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.

Прямое преобразование солнечной  энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т. е. наличие электрического тока. Преимущество этой системы — в равной эффективности независимо от того, используется ли она в малых элементах — для электроснабжения камеры или в крупных комплексах — для больших зданий. В то же время они дороги, малоэффективны и нуждаются в системе аккумуляторов (обычно батарей) для обеспечения непрерывного энергоснабжения ночью и в пасмурные дни.

Стоимость солнечных батарей  быстро уменьшается (в 1970г. 1 кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долл., в 1980 г - 1 долл., сейчас — 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25 % в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18% составляет в настоящее время 28,5 % для элементов из кристаллического кремния и 35 % - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16 % даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). 

Схема 3. Работа кремниевой солнечной батареи:1-чистый монокристаллический кремний; 2-загрязненный кремний; 3- аккумулятор.

Энергия солнца, как полагают эксперты, — квинтэссенция энергетики, поскольку фотоэлектрические установки  не оказывают воздействия на природную  среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средств связи и измерительных приборов до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров).

Энергия ветра.

Ветры дуют везде, они могут  дуть и летом, и зимой, и днем, и  ночью — в этом их существенное преимущество перед самим солнечным  излучением. 
 
Энергия ветра - это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур в атмосфере земли. В 80-е гг. стоимость 1 кВт*ч ветровой энергии была снижена на 70% и теперь составляет 6 - 8 центов, что делает ее конкурентоспособной по отношению к энергии, получаемой на новых тепловых электростанциях, сжигающих уголь. Специалисты уверены, что ветряные турбины скоро будут усовершенствованы и станут эффективными. 

Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт  была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском  по проекту инженеров А.Г.Уфимцева и В.П.Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом. 

Кинетическая энергия, переносимая  потоком ветра в единицу времени  через площадь в 1 м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.  
 
Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности либо малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит. 
 
Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт. 
 
Если рассматривать ветряки с точки зрения экологии и безопасности, то совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты.

Схема 4. Ветряная электростанция.

 
 
При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо —  генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые  колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают  птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни. Поэтому было выдвинуто  предложение о размещении систем ветряков в открытом море.

Энергия воды.

Гидроэнергетика дает почти  треть электроэнергии, используемой во всем мире. Существуют два основных метода преобразования энергии воды в электроэнергию.

Схема 5. Простой способ получения энергии из воды.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная  энергия воды, накапливаемой с  помощью плотин. У основания плотины  расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов  электрического тока. Существуют очень  крупные ГЭС. Широко известны две  большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США – Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. 

Схема 6. Самая крупная ГЭС в США.

 
 
Гидроэнергия – один из самых  дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что  водохранилища пополняются приточной  речной и дождевой водой. Остается под  вопросом целесообразность строительства  ГЭС на равнинах.  

Схема 7. Получение энергии из воды.

 
Этот метод имеет преимущества: не загрязняет атмосферу, легко управляется  прием поворота механизированного  клапана на подаче воды. Однако гидроэнергетика  не безвредна для окружающей среды, имеются трудности в широком  развитии гидроэлектрических ресурсов. Требуется накопление больших объемов  воды, затопление долин и обширных площадей земли, часто ценной для коммерческого использования и для отдыха людей, или ненарушенных заповедных земель, в которых происходят нежелательные экологические изменения. 
 
Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины. Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию. 
 
Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исключением тех случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В таких случаях возникает волна, высота которой может в 10—20 раз превышать нормальную высоту приливного подъема. Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к вторжению соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. 

Геотермальная энергия.

Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32–35 км значительно  тоньше лежащего под ней слоя –  мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые  извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ  в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что  оно вызывает плавление пород  мантии. Горячие породы могут создавать  тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается  и даже превращается в пар. 

Схема 8. Геотермальная энергия.

 
 
Запасы геотермальной энергии  составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы  распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана. 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. 
 
Основным недостатком геотермальной энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

Энергия биомассы.

 
Многообещающим направлением представляется выращивание растений, идущих в переработку для производства энергии, на маргинальных землях, не задействованных  в производстве продуктов питания. Сегодня на дрова и древесный  уголь приходится 12% мирового производства энергии. В перспективе использование  энергии биомассы увеличится. Уже  разработана технология получения  этанола из древесины, который будет  стоить 2,8 дол. за 1 л и снизит потребность в бензине.  
Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение. 

Схема 9. Энергия биомассы.

 
 
Если производство биомассы соизмеримо с ее сжиганием, содержание углекислого  газа в атмосфере остается неизменным. Наиболее оптимальный способ использования  биомассы — ее газификация с последующим  срабатыванием в газовых турбинах. Наиболее перспективными областями  применения таких турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут  стать отрасли экономики, в которых  скапливаются большие объемы. При  этом число выбросов углекислого  газа сократилось бы наполовину.

Заключение. 
 
Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан! 
 
Тема работы «альтернативные источники энергии» актуальна сегодня, потому, что при существующем уровне научно–технического прогресса энергопотребление может быть покрыто за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.  
Данная тема «альтернативные источники энергии» достаточно подробно освещена в научных трудах следующих авторов: Апполонов Ю.Е.,Миклашевич И.В.,Благородов В.Н.  
 
Твайделл Дж., Уэйр А.  
Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы- альтернативная энергия. К ней относят - солнечную, геотермальную и ветровую энергию, а также энергию биомассы, океана и прочую.  
 
В отличие от ископаемых топлив (уголь,нефть,газ), нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов. 
 
Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым терминов «экоэнергетика», под которым подразумеваются любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды. 
 
Основной фактор при оценке целесообразности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии. 
 
Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и так далее, В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.  
 
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. 
 
Солнечные электростанции (СЭС) работают более чем в 30 странах. 
 
В последнее время многие страны расширяют использование ветроэнергетических установок (ВЭУ). Больше всего их в странах Западной Европы (Дания, ФРГ, Великобритания, Нидерланды), в США, в Индии, Китае. 
 
В качестве топлива в Бразилии и других странах все чаще используют этиловый спирт. 
 
Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и грядущим 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. 
 
Исходя из того, что ВИЭ сегодня обеспечивают менее 6% энергопотребления стран ЕС, необходимо объединить усилия для увеличения этой доли. Это, в свою очередь, создаст возможность для экспорта энергии и улучшения экологии.