Міністерство освіти і науки України
Одеський державний екологічний університет
Кафедра прикладної екології
Факультет екологічний
КУРСОВА РОБОТА
на тему: „Альтернативні джерела енергії”
Виконав студент групи Е – 26
Чернєв М.І.
Керівник Фролова Н.М.
Одеса 2007
ЗМІСТ
ВСТУП
1. ВІТРОВА ЕНЕРГІЯ
1.1 Зберігання вітрової енергії
1.2 Будівництво вітроелектростанцій в Україні
1.3 Перспективи і умови розвитку вітроенергетики в Криму
2. ЕНЕРГІЯ СВІТОВОГО ОКЕАНУ
2.1 Теплова енергія океану
2.2 Енергія приливів і відливів
2.3 Енергія морських течій
2.4 Енергія біомаси
2.5 Внутрішня Енергія Молекул Води
3. ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ
3.1 Концентрування сонячного світла
3.2 Перетворювачі сонячної енергії
4. ГИДРОЕНЕРГЕТИКА
4.1 Мала гідроенергетика
5. ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ
6. ЕНЕРГІЯ БІОМАСИ
7. ВОДНЕВА ЕНЕРГІЯ
7.1 Керований термоядерний синтез
7.2 Сучасні і перспективні методи виробництва водню
7.3 Використовування водню
7.4 «Водневий» автомобіль
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ВСТУП
Зараз, як ніколи гостро встало питання, про те, яким буде майбутнє планети в енергетичному плані. Науково-технічний прогрес неможливий без розвитку енергетики, електрифікації. Для підвищення продуктивності праці головне значення має механізація і автоматизація виробничих процесів, заміна людської праці машинним. Але переважна більшість технічних засобів механізації і автоматизації має електричну основу. Особливо широке застосування електрична енергія одержала для роботи електричних моторів. Потужність електричних машин різна: від часток вата до величезних величин, що перевищують мільйон кіловат .
Людству електроенергія потрібна, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив вичерпані. Вичерпні також і запаси ядерного палива - урану і торія, з якого можна одержувати в реакторах-розмножувачах плутоній. Тому важливо на сьогоднішній день знайти вигідні джерела електроенергії, причому вигідні не тільки з погляду дешевизни палива, але і з погляду простоти конструкцій, експлуатації, дешевизни матеріалів, необхідних для споруди станції та екологічно чистої енергії.
В даний час на виробництво тепла і електроенергії витрачається щорічно кількість тепла, еквівалентна приблизно 1000 трлн. баррелів нафти, спалювання яких сильно забруднює навколишнє природне середовище.
Навколишнє середовище наповнене енергією, яка може бути використана для здійснення роботи різного характеру. Найбільш перспективними видами енергії є енергія вітру, енергія світового океану, енергія сонця, гідроенергетика, геотермальна енергія, енергія біомаси, воднева енергія. Ці види енергії є досить перспективними, але витрати на їх будівництво високозатратні і в найближчій перспективі не може бути рекомендована для упровадження у великих об'ємах через високу питому вартість енергетичних установок, низький коефіцієнт використовування встановленої потужності установок.
1
. ВІТРОВА ЕНЕРГІЯ
Ми живемо на дні повітряного океану, в світі вітрів. Люди давно це зрозуміли, вони постійно відчували на собі дію вітру, хоча довгий час не могли пояснити багато явищ. Спостереженням за вітрами займалися ще в Стародавній Греції. Вже в III в. до н.е. було відомо, що вітер приносить ту або іншу погоду.
Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри - від легкого вітерцю, до могутніх ураганів, що приносять незліченні руйнування. Завжди неспокійний повітряний океан, на дні якого ми живемо. Вітри, що дують на просторах нашої країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії. Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території.
За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі рівний 1200 ТВт, проте можливості використовування цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути достатньо великою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний перетин, досягала значення для перетворення.
Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Проте не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисної дії енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3 %. На практиці, згідно опублікованим даним, максимальний ККД енергії вітру в реальному вітроагрегаті рівний приблизно 50 %, проте і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості, передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється з ККД звичайно 75-95 %. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність, видавана реальним вітроенергетичним агрегатом складає 30-40 % потужності повітряного потоку за умови, що цей агрегат працює стійко в діапазоні швидкостей, передбачених проектом. Проте іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низькою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високої, що вітроагрегат необхідно зупинити і вжити заходи по його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частина отриманої механічної енергії вітру не використовується, з тим щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці чинники, питоме вироблення електричної енергії протягом року складає 15-30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місцеположення і параметрів вітроагрегата [3].
Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин привело до появи на світ безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, з часом вони могли б утворити справжню електричну мережу. Малі вітроенергетичні агрегати призначені для постачання електроенергією окремих будинків.
Принцип дії всіх вітродвигунів один: під натиском вітру обертається вітрове колесо з лопатями, передаючи момент, що крутить , через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Чим більше діаметр вітрового колеса, тим більший повітряний потік воно захоплює і тим більше енергії виробляє агрегат.
За типами вітрові двигуни поділяють на дві групи (мал. 1):
1).вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання (крильчаті) (2-5);
2).вітродвигуни з вертикальною віссю обертання (карусельні: лопатеві (1) і ортогональні (6).
Мал. 1. Типи вітродвигунів
Коефіцієнт використовування енергії вітру у крильчастих вітродвигунів набагато вище ніж у карусельних. В той же час, у карусельних - набагато більше момент обертання. Він максимальний для карусельних лопатевих агрегатів при нульовій відносній швидкості вітру.
У невеликих масштабах вітроенергетичні станції знайшли застосування декілька десятиліть тому. Найкрупніша з них потужністю 1250 кВт давала струм в мережу електропостачання американського штату Вермонт безперервно з 1941 по 1945 р.
Сьогодні вітроенергетичні агрегати надійно забезпечують струмом нафтовиків; вони успішно працюють в труднодоступних районах, на дальніх островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу крупних населених пунктів і електростанцій загального користування.
Широкому застосуванню вітроенергетичних агрегатів в звичних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість.
Крім того, кінці лопатей крупної установки рухаючись з великою швидкістю створюють шум. Проте головна перешкода на шляху використовуванні енергії вітру все ж таки економічна - потужність агрегату залишається невеликою і частка витрат на його експлуатацію виявляється значною[6].
1.1 Зберігання вітрової енергії
При використовуванні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії в легковажну погоду і недолік її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти енергію вітру?
Простий спосіб полягає у тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну і генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи і проекти: від звичних, хоча і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стислого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як паливо. Особливо перспективним представляється останній спосіб. Електричний струм від вітроагрегату розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати на теплових електростанцій у міру потреби [5].
1.2 Будівництво вітроелектростанцій в Україні
Сучасна вітроенергетика є однією з найрозвиненіших і перспективніших галузей альтернативної енергетики. В даний час, в умовах енергетичної кризи на Україні, вітроенергетика займає одне з провідних місць.
В Україні узятий курс на прискорений розвиток виробництва вітроенергетичних установок і будівництво вітроелектростанцій загальною потужністю 500 МВт і більш, для чого у вітроенергетику прямують великі державні інвестиції.
Необхідно також відзначити, що сумарна потужність вітроелектростанцій, що розташовується, в Україні в 500 МВт дасть надбавку середньорічної потужності лише в 800-100 МВт, що для країни складає досить малу величину.
Існуючі наміри держави по упровадженню вітроенергетики в Україні базуються в основному на застосуванні ліцензійної вітроенергетичні установки моделі «USW 56-100» і вітроенергетичні установки вітчизняної розробки типа «АВЕ-250С».
В Україні не проведені серйозні дослідження по впливу крупних вітроелектростанцій на навколишнє природне середовище в зоні їх дії. Ці питання вимагають додаткових досліджень і узгодженні з природоохоронними організаціями, та і відповідні закони відсутні.
В Україні розроблена і виробляється вітрові енергетичні установки типа «АВЕ-250С» потужністю 200 кВт. До теперішнього часу партія цих установок проходить тестування і експлуатацію. Розробляється подібна установка потужністю 500 кВт.
Вітрові енергетичні установки типа «АВЕ-250С» можуть працювати як в паралельно з енергосистемою, так і автономно [8].
1.3 Перспективи і умови розвитку вітроенергетики в Криму
Територія Автономної Республіки Крим володіє достатньо великим вітровим потенціалом на Україні і розглядається як найперспективніший район для будівництва установок по його використовуванню і виробленню додаткової електроенергії.
Аналіз вітроенергетичних ресурсів Криму показує, що середньорічні значення швидкості вітру на території півострова коливаються в межах від 3 до 5 м/с, причому максимальна вірогідність при швидкості 3,5 м/с.
Розвиток вітроенергетики в Криму обумовлений наступними причинами:
1) дефіцитністю традиційних природних невідновлюваних паливно-енергетичних ресурсів, критичним станом власних генеруючих джерел і нестійкою роботою кримської енергосистеми в цілому;
2) високими екологічними вимогами до енерговиробляючих джерел, пов'язаних з розвитком в регіоні індустрії відпочинку і туризму;
3) вдалим географічним положенням Криму і його унікальними природно-кліматичними можливостями;
4) наявністю вільних земельних площ, придатних для розміщення об'єктів вітроенергетики.
Використовування вітрової енергії на території Кримського регіону передбачається по двох основних напрямах:
1) будівництво вітроенергетичних установок і їх комплексів - вітроенергетичних станцій потужністю 100 кВт і вище і робота в паралельному режимі із загальною енергосистемою;
2) будівництво вітроустановок невеликої потужності від 4 кВт і вище для живлення невеликих окремих об'єктів і робота їх в автономному режимі.
Таким чином, до 2010 р., при успішному розвитку Комплексної програми будівництва вітроелектростанцій України, передбачається довести загальну їх потужність в Криму до 480 МВт, що дозволить підвищити надійність енергозбереження Криму і дати економію органічного палива у розмірі 290 тис. т. у. т. в рік [6].
2. ЕНЕРГІЯ СВІТОВОГО ОКЕАНУ
Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його одержаному, виснаження паливних ресурсів - всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали останніми роками в багатьох країнах виник значний інтерес до нових джерел енергії, зокрема до енергії Світового океану.
Енергетичні джерела океану мають різні по потенціалу ресурси. Значні енергетичні можливості містять в собі: енергія хвиль і приливів; енергія хімічних зв'язків газів, живильних речовин, солей і інших мінералів; прихована енергія водню, що знаходиться в молекулах води; енергія течій, спокійно і нескінченно рухомих в різних частинах океану; дивовижна по запасах енергія, яку можна одержувати, використовуючи різницю температур води океану на поверхні і в глибині, і їх можна перетворити в стандартні види палива.
Дослідження дають підставу зробити висновок, що хвилі порівняно з іншими відновлюваними джерелами енергії океану володіють досить хорошими показниками, що дозволить в майбутньому ефективно використовувати їх енергію.
Кожна хвиля , прямуюча до берега, несе з собою величезну енергію (наприклад, хвиля висотою в 3 м несе близько 90 кВт потужності на 1 м побережжя). В даний час є реальні інженерні і технічні можливості для ефективного перетворення хвильової енергії в електричну. Проте надійні хвильові установки поки не розроблені [4].
У перспективі енергію морських хвиль можна залучити в загальний баланс енергетичних ресурсів, що використовуються людиною в господарській діяльності .
2.1 Теплова енергія океану
Відомо, що запаси енергії в Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні займають моря і океани. Так, теплова енергія, відповідна перегріву поверхневих вод океану в порівнянні з донними, скажімо, на 20 градусів, має величину близько 1026 Дж. Проте поки що люди уміють використовувати лише нікчемні частки цієї енергії, та і те ціною великих капіталовкладень, так що така енергетика дотепер здавалася малоперспективною.
Останні десятиліття характеризується певними успіхами у використовуванні теплової енергії океану. У серпні 1979 р. поблизу Гавайських островів почала працювати теплоенергетична установка. Пробна експлуатація установки протягом трьох з половиною місяців показала її достатню надійність. Її повна потужність складала в середньому 48,7 кВт, максимальна -53 кВт; 12 кВт установка віддавала в зовнішню мережу на корисне навантаження, точніше - на зарядку акумуляторів. Решта потужності, що виробляється, витрачалася на власні потреби установки. До їх числа входять витрати енергії на роботу трьох насосів, втрати в двох теплообмінниках, турбіні і в генераторі електричної енергії.
Вперше в історії техніки установка змогла віддати в зовнішнє навантаження корисну потужність, одночасно покривши і власні потреби [1].
2.2 Енергія приливів і відливів
Століттями люди роздумували над причиною морських приливів і відливів. Могутнє природне явище - ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. Оскільки Сонце знаходиться від Землі в 400 разів далі, набагато менша маса Місяця діє на земні води удвічі сильніше, ніж маса Сонця. Тому вирішальну роль виконує прилив, викликаний Місяцем. У морських просторах приливи чергуються з відливами теоретично через 6 ч 12 мін 30с. Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій, Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, і тоді наступає сильний прилив. Коли ж Сонця знаходиться під прямим кутом до відрізка Земля-Місяць, наступає слабкий прилив. Сильний і слабкий приливи чергуються через сім днів.
Проте істинний хід приливу і відливу достатньо складний. На нього впливають особливості руху небесних тіл, характер берегової лінії, глибина води, морські течії і вітер.
Найвищі і сильніші приливні хвилі виникають в дрібних і вузьких затоках або гирлах річок, що впадають в моря і океани. У закритих морях, наприклад Чорному або Середземному, виникають малі приливні хвилі заввишки 50-70 см. Потужність електростанцій в деяких місцях могла б скласти 2-20 МВт.
Перша морська приливна електростанція потужністю 635 кВт була побудована в 1913 р. біля Ліверпуля. У 1935 р. приливну електростанцію почали будувати в США. Американці перегородили частину затоки Пассамакводі на східному побережжі, витратили 7 млн. $., але роботи довелося припинити через незручний для будівництва, дуже глибокого і м'якого морського дна, а також через те, що побудована неподалеку крупна теплова електростанція дала дешевшу енергію.
Аргентинські фахівці пропонували використовувати дуже високу приливну хвилю в Магеллановій протоці, по уряд не затвердило дорогий проект.
З 1967 р. в гирлі річки Ранс у Франції на приливах заввишки до 13 метрів працює ПЕС потужністю 240 тис. кВт з річною віддачею 540 тис. кВт/ч [4].
2.3 Енергія морських течій
Невичерпні запаси кінетичної енергії морських течій, накопичені в океанах і морях, можна перетворювати на механічну і електричну енергію за допомогою турбін, занурених у воду.
Найважливіша і найвідоміша морська течія - Гольфстрім. Його основна частина проходить через Флоридську протоку між півостровом Флорида і Багамськими островами. Ширина течії складає 60 км, глибина до 800 м, а поперечний перетин 28 км2. Енергію Р, яку несе такий потік води із швидкістю 0,9 м/с, можна виразити формулою:
де m маса води (кг), р - щільність води (кг/м3), А-перетин (м2),
v- швидкість (м/с).
Якби ми змогли повністю використовувати цю енергію, вона була б еквівалентна сумарній енергії від 50 крупних електростанцій по 1000 МВт, Але ця цифра чисто теоретична, а практично можна розраховувати на використовування лише близько 10% енергії течії.
В даний час у ряді країн, і в першу чергу в Англії, ведуться інтенсивні роботи по використовуванню енергії морських хвиль. Британські острови мають дуже довгу берегову лінію, в багатьох місцях море залишається бурхливим протягом довгого часу. За оцінками учених, за рахунок енергії морських хвиль з англійських територіальних водах можна було б одержати потужність до 120 ГВт, що удвічі перевищує потужність всіх електростанцій, що належать Британському Центральному електроенергетичному управлінню [6].
2.4 Енергія біомаси
У океані існує чудове середовище для підтримки життя, до складу якого входять живильні речовини, солі і інші мінерали. У цьому середовищі розчинений у воді кисень живить всіх морських тварин від найменших до найбільших, від амеби до акули. Розчинений вуглекислий газ так само підтримує життя всіх морських рослин від одноклітинних діатомових водоростей досягаючих 60-90 метрів бурих водоростей. Морському біологу потрібно зробити лише крок вперед, щоб перейти від сприйняття океану як природної системи підтримки життя до спроби почати на науковій основі витягувати з цієї системи енергію. При підтримці військово-морського флоту США у середині 70-х років група фахівців у області дослідження океану, морських інженерів і водолазів створила першу в світі океанську енергетичну ферму на глибині 12 метрів під залитою сонцем гладінню Тихого океану поблизу міста Сан- Клемент. Ферма була невелика, по суті своїй, все це було лише експериментом. На фермі вирощувалися гігантські каліфорнійські бурі водорості. На думку директора проекту доктора Говарда А. Уїлкокса, співробітника центру дослідження морських і океанських систем в Сан-Дієго (Каліфорнія), "до 50 % енергії цих водоростей може бути перетворене в паливо - в природний газ метан(С2Н6). Океанські ферми майбутнього, що вирощують бурі водорості на площі приблизно 40000 га, зможуть давати енергію, якої вистачить, щоб повністю задовольнити потреби американського міста з населенням в 50 000 чоловік" [1].
2.5 Внутрішня Енергія Молекул Води
Звичайно, доступ до запасів електроенергії надає прекрасні можливості, але електроенергія не піднімає в небо літаки, не рухатиме легкові і вантажні автомобілі і автобуси, не поведе кораблі через моря. Проте літаки і легкові автомобілі, автобуси і вантажівки можуть приводитися в рух газом, який можна витягувати з води. Цей газ - водень, і він може використовуватися як пальне. Водень - один з найпоширеніших елементів у Всесвіті. У океані він міститься в кожній краплі води. Витягнутий з води водень можна спалювати як паливо і використовувати не тільки для того, щоб приводити в рух різні транспортні засоби, але і для отримання електроенергії. Все більше число хіміків і інженерів з ентузіазмом відноситься до "водневої енергетики" майбутнього, оскільки одержаний водень достатньо зручно зберігати: у вигляді стислого газу в танкерах або в зрідженому вигляді в криогенних контейнерах. Його можна зберігати і в твердому вигляді після з'єднання з магнієм для утворення металевих гідридів. Після цього їх можна легко транспортувати і використовувати в міру необхідності.
У 60-ті роки фахівцям з НАСА вдалося так успішно здійснити процес електролізу води і так ефективно збирати водень, що вивільняється, що одержуваний таким чином водень використовувався під час польотів за програмою "Аполлон" [7].
3. ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ
Після енергетичної кризи 1973 р. урядами країн і приватними компаніями були вжиті заходи по пошуку нових видів енергетичних ресурсів для отримання електроенергії. Таким джерелом в першу чергу стала сонячна енергія.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо в своєму розпорядженні дві можливості: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами, або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею, будь-яка установка для прямого використовування сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій з достатньою поверхнею.
Потенційні можливості енергетики, заснованої на використовуванні безпосередньо сонячного випромінювання, надзвичайно великі. Відзначимо, що використовування всього лише 0.0125 % кількості енергії Сонця могло б забезпечити всі сьогоднішні потреби світової енергетики, а використовування 0.5 % - повністю покрити потреби на перспективу. На жаль, навряд коли-небудь ці величезні потенційні ресурси вдасться реалізувати у великих масштабах.
Однією з найсерйозніших перешкод такій реалізації є низька інтенсивність сонячного випромінювання. Навіть за якнайкращих атмосферних умов густина потоку сонячного випромінювання складає не більш 250 Вт/м2. Щоб колектори сонячного випромінювання "збирали" за рік енергію, необхідну для задоволення всіх потреб людства потрібно розмістити їх на території 130 000 км2.Необхідність використовувати колектори величезних розмірів, крім того, спричиняє за собою значні матеріальні витрати.
Існують різні чинники, що обмежують потужність сонячної енергетики. Поки що електрична енергія, народжена сонячним промінням, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Учені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на дослідних установках і станціях, допоможуть розв'язати не тільки технічні, але і економічні проблеми [2].
3.1 Концентрування сонячного світла
Сфокусувати сонячне проміння можна за допомогою увігнутого дзеркала. Воно є основною частиною гелиоконцентратора, приладу, в якому паралельне сонячне проміння збирається за допомогою увігнутого дзеркала. Якщо у фокус дзеркала помістити трубу з водою, то вона нагріється. Такий принцип дії сонячних перетворювачів прямої дії.
Найефективніше їх можна використовувати в південних широтах, але і в середній смузі вони знаходять застосування. Дзеркала в установках використовуються або традиційні - скляні, або з полірованого алюмінію. Найефективніші концентратори сонячного випромінювання (мал. 2) мають форму:
Мал. 2. Форми концентраторів сонячної енергії
1.циліндрового параболоїда (а);
2.параболоїда обертання (б);
3.плоско-линейной лінз Френеля (в).
Фірма Loose Industries на сонячно-газовій електростанції в Каліфорнії використовує систему параболо-цилиндрических довгих відбивачів у вигляді жолоба. У його фокусі проходить труба з теплоносієм - дифенілом, що нагрівається до 350°С. Жолоб повертається для стеження за сонцем тільки навколо однієї осі. Це дозволило спростити систему стеження за сонцем. Сонячна енергія може безпосередньо перетворюватися в механічну. Для цього використовується двигун Стірлінга. Якщо у фокусі параболічного дзеркала діаметром 1,5 м встановити динамічний перетворювач, що працює по циклу Стірлінга, одержуваної потужності (1 кВт) досить, щоб піднімати з глибини 20 метрів 2 м3 води в годину.
Денна продуктивність на широті 50° приблизно рівна 2 кВт/ч з квадратного метра. Температура води в баку-акумуляторі досягає 60-70°. ККД установки - 40%.
Теплові концентратори це -
3.2 Перетворювачі сонячної енергії
Інтенсивність сонячного світла на рівні моря складає 1-3 кВт на квадратний метр. ККД кращих сонячних батарей складає 12-18 %. З урахуванням ККД перетворення енергії сонячного проміння за допомогою фотоперетворювачів дозволяє одержати з одного квадратного метра не більш 1/2 кВт потужностей.
Досвід використовування сонячної енергії в помірних широтах показує, що енергію сонця вигідніше безпосередньо акумулювати і використовувати у вигляді тепла. Існує два основні напрями в розвитку сонячної енергетики: рішення глобального питання постачання енергією і створення сонячних перетворювачів, розрахованих на виконання конкретних локальних задач. Ці перетворювачі, у свою чергу, також діляться на дві групи; високотемпературні і низькотемпературні .
У перетворювачах першого типу сонячне проміння концентрується на невеликій ділянці, температура якої підніметься до 3000°С. Такі установки вже існують. Вони використовуються, наприклад, для плавки металів (мал. 3.)
Мал. 3. Високотемпературний геліостат
Найчисленніша частина сонячних перетворювачів працює при набагато менших температурах - порядку 100-200°С. З їх допомогою підігрівають воду, піднімають з колодязів. Енергію сонця можна акумулювати вдень для обігріву будинків і теплиць в нічний час.
Сонячні установки практично не вимагають експлуатаційних витрат, не потребують ремонту і вимагають витрат лише на їх споруду і підтримку в чистоті.
3.3 Геліоустановки на широті 60°
Одним з лідерів практичного використовування енергії Сонця стала Швейцарія. Тут побудовано приблизно 2600 геліоустановок на кремнієвих фотоперетворювачах потужністю від 1 до 1000 кВт і сонячних колекторних пристроїв для отримання теплової енергії.
Геліоустановку на кремнієвих фотоперетворювачах, найчастіше потужністю 2-3 кВт, вмонтовують на дахах і фасадах будівель. Вона займає приблизно 20-30 квадратних метрів. Така установка виробляє в рік в середньому 2000 кВт/ч електроенергії, що достатнє для забезпечення побутових потреб середнього швейцарського будинку і зарядки бортових акумуляторів електромобіля. Денний надлишок енергії в літню пору направляють в електричну мережу загального користування. Взимку ж, особливо вночі, енергія може бути безкоштовно повернена власнику геліоустановки.
Крупні фірми вмонтовують на дахах виробничих корпусів геліостанції потужністю до 300 кВт. Одна така станція може покрити потреби підприємства в енергії на 50-70%.
У районах альпійського високогір'я, де нерентабельно прокладати лінії електропередач, будуються автономні геліоустановки з акумуляторами.
Досвід експлуатації свідчить, що Сонце вже в змозі забезпечити енергопотреби, щонайменше, всіх житлових будівель в країні. Геліоустановки, розташовуючись на дахах і стінах будівель, на шумозахисних огорожах автодоріг, на транспортних і промислових спорудах не вимагають для розміщення дорогої сільськогосподарської або міської території.
Сучасна концепція використовування сонячної енергії якнайповніші виражена при будівництві корпусів заводу в Арісдорфе, де сонячним панелям загальною потужністю 50 кВт ще при проектуванні була відведена додаткова роль елементів перекриття і оформлення фасаду.
ККД кремнієвих фотоперетворювачів при сильному нагріві помітно знижується і, тому, під сонячними панелями прокладені вентиляційні трубопроводи для прокачування зовнішнього повітря. Нагріте повітря працює як теплоносій колекторних пристроїв. Темно-сині, іскристі на сонці фотоперетворювачі на південному і західному фасадах адміністративного корпусу, віддаючи в мережу 9 кВт електроенергії, виконують роль декоративного облицьовування [7].
4.
ГИДРОЕНЕРГЕТИКА
Величезні запаси енергії приховані в поточній воді внутрішніх вод. Раніше всього люди навчилися використовувати енергію річок. Переваги гідроелектростанцій очевидні: постійно відновлюваний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища.
Витрати на будівництво ГЕС великі, але вони компенсуються тим, що не доводиться платити за джерело енергії - воду. Потужність сучасних ГЕС, спроектованих на високому інженерному рівні, перевищує 100 МВт, а К.П.Д. складає 95% . Така потужність досягається при досить малих швидкостях обертання ротора, тому сучасні гідротурбіни вражають своїми розмірами.
Але поки людям служить лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу землі. Щорічно величезні потоки води, що утворилися від дощів і танення снігів, стікають в моря невикористаними. Якби вдалося затримати їх за допомогою дамб, людство одержало б додатково колосальну кількість енергії.
4.1 Мала гідроенергетика
Україна практично не використовується енергія малих річок. Хоча, як показують розрахунки, в Криму є велика кількість річок з витратою води 2 м3/сек, достатнім для роботи турбіни, на яких можна встановити каскад мікро ГЕС. Турбіни малої потужності вже виготовлені і чекають свого упровадження. Мікро ГЕС - це екологічно чисті підприємства, вони могли б забезпечувати електроенергією туристські підприємства гірського Криму, служби заповідників і інші видалені точкові об'єкти.
До об'єктів малої гідроенергетики відносяться міні-ГЕС - потужністю до 100 кВт, мікро-ГЕС - до 100 кВт і власне малі ГЕС - 15-25 МВт.
Упровадження даних енергозберігаючих заходів дозволить скоротити на 25 -80% споживання електроенергії на існуючих інженерних спорудах і мережах житлово-комунального господарства Автономної Республіки Крим і поліпшити екологічну обстановку в санаторно-курортних зонах Криму.
Експлуатація малих ГЕС в Криму дає можливість додатково виробляти до 5 млн. кВт/ч електроенергії в рік, що еквівалентне щорічній економії до 1,5 тис. т дефіцитного органічного палива [2].
5.
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ
Людство знає про катастрофічні виверження вулканів, що понесли мільйони людських життів, що невпізнанно змінили вигляд багатьох місць на Землі.
Маленька європейська країна Ісландія практично немає джерел енергії. Зате дуже багата ця країна гарячими джерелами і знаменитими гейзерами-фонтанами гарячої води, з точністю хронометра виривається з-під землі. І хоча не ісландцям належить пріоритет у використовуванні тепла підземних джерел, жителі цієї маленької північної країни експлуатують підземну котельну дуже інтенсивно. Столиця - Рейк'явік, опалюється тільки за рахунок підземних джерел. Вже давно працюють електростанції, що використовують гарячі підземні джерела. Перша така електростанція була побудована в 1904 році в невеликому італійському містечку Лардерелло.
За минулі 15 років виробництво електроенергії на геотермальних електростанціях в світі значно виросло. Роботи по вивченню геотермальних джерел і створенню прогресивних систем для витягання і практичного використовування геотермальної енергії ведуться в Україні і багатьох зарубіжних країнах.
Узагальнення і аналіз світового досвіду використовування геотермальної енергії показує, що по масштабах використовування теплоти надр України істотно відстає від багатьох зарубіжних країн. Однією з основних причин є відсутність достатнього економічних і ефективних технологій витягання і використовування низькотемпературних теплоносіїв.
Розробка і освоєння інтенсивних технологій витягання теплоносія і створення ефективних систем використовування теплоти надр є головною науковою і інженерно-технічною проблемою енергетики. Без створення таких технологій і установок не можна розраховувати на широкомасштабне використовування цього енергоджерела [3].
Технічна можливість на сучасному етапі розвитку наукових досягнень, дозволяє досягти в найближчі 15 років до 10-15 % використовування цього потенціалу і одержати до 15 млрд. МВт. ч. додаткової теплової енергії для цілей теплопостачання в північних і північно-західних районах Криму.
Сучасний розвиток геотермальної енергетики припускає економічну доцільність використовування наступних видів підземних геотермальних вод:
1) температурою більш 140°С і завглибшки залягання до 5 км для вироблення електроенергії;
2) температурою біля 100°С для систем опалювання будівель і споруд;
3) температурою біля 60-70°С для систем гарячого водопостачання.
Основні перспективні напрями використовування геотермальної енергії в Таким чином, використовування теплоти геотермальних вод представляє поки що певну складність, пов'язану із значними капітальними витратами на буріння свердловин і зворотне закачування відпрацьованої води, створення корозійностійкого теплотехнічного устаткування. Тому, основними напрямами розвитку геотермальної енергії на найближчу перспективу будуть:
1) розвідка родовищ, оцінка ресурсів, підготовка бази для ГеоТЕЦ;
2) будівництво установок по утилізації теплоти на існуючих геотермальних свердловинах для теплопостачання довколишніх населених пунктів, промислових і сільськогосподарських об'єктів;
3) створення корозійностійкого спеціального тепломеханічного устаткування;
4) організація підприємства по здобичі і утилізації відпрацьованого горючого теплоносія [5].
6.
ЕНЕРГІЯ БІОМАСИ
Великі можливості у власному енергозабезпеченні сільськогосподарських підприємств і економії енергетичних ресурсів закладені у використовуванні енергії відходів сільгоспвиробництва і рослинної біомаси. У сільськогосподарському виробництві джерел тепла можна прийняти як будь-які рослинні відходи, що непридатні для використовування по прямому призначенню або не знайшли іншого господарського застосування.
За останній час використовування біомаси в різних її формах (дерево, деревне вугілля, відходи сільськогосподарського виробництва і тварин) в світі в цілому знизилося. Проте, в країнах, що розвиваються, цей вид енергоресурсів складає в середньому 20%. При цьому у ряді країн Африки використовування біомаси для енергетичних цілей рівно зразкова 60% загального енергоспоживання, в азіатських держав - 40%, в країнах Латинської Америки 0 до 30% і у ряді країн Європи, Близького Сходу і Поганої Африки до 10%.
У ряді країн використовування деревного палива, деревного вугілля і сільськогосподарських відходів поставлене на комерційну основу. Слід зазначити, що в сільських районах колишнього радянського союзу частка використовування деревного палива вельми значна і при переході на нові енергоносії можна чекати певного зростання самозаготовок.
Вказане особливо важливе в країнах з тропічним кліматом і в крупних містах, де проблема ліквідації і одночасно енергетичного використовування відходів виконує особливо важливу роль. За тих, що пройшли 10 подітий тільки три країни - США, Данія і Швеція довели виробництво електроенергії але установках, що використовують біомасу відходів до 400 МВт.
Значний розвиток одержала переробка біомаси, заснована на процесах газифікації і отримання рідких палив. Починаючи з 1980 р. щорічне виробництво етанолу досягло, наприклад в Бразилії, 10 млн.л.
При переробці біомаси в етанол утворюються побічні продукти, перш за все - промивальні води і залишки перегонки. Останні є серйозним джерелом екологічного забруднення навколишнього середовища. Представляють інтерес технології, які дозволяють в процесі очищення цих відходів одержувати мінеральні речовини, що використовуються в хімічній промисловості, а також застосовувати їх для виробництва мінеральних добрив[6].
Отримання промислового біогазу рослинного і тваринного походження можливе за рахунок їх зброджування (метанового бродіння) з отриманням метану і знезаражених органічних добрив. Теплотворна здатність 1 м3 біогазу, що складається з 50-80% метану і 20-50% вуглекислого газу, рівна 10-24 МДж і еквівалентна 0,7-0,8 кг умовного палива.
Проблеми утилізації твердих побутових відходів гостро стоять перед всіма країнами. Вихід сміття складає 250-700 кг на душу населення в рік, збільшуючись на 4-6% в рік, випереджаючи приріст населення.
Рішення проблеми переробки сміття знайдене у використовуванні технології твердофазного зброджування на облаштованих полігонах з отриманням біогазу. Ця технологія найдешевша, не оперує з токсичними викидами і стоками.
В даний час в світі діють десятки установок для отримання біогазу із сміття з використанням його в основному для виробництва електроенергії і тепло сумарно потужністю сотні МВт. Розв'язується питання повернення для використовування під забудову земель після витягання газу.
Біогаз частково спалюється в топках казанів, що підігрівають технічну воду, частково подається в дизель-генератор. Перегнійна маса, що перебродила, використовується як повноцінне органомінерального добриво. Вихід біогазу складає 500 м куб/сут.
Останніми роками активно розвивається технологія спалювання зношених автомобільних шин у зв'язку з лавиноподібним накопиченням.
Біогаз з високою ефективністю може трансформуватися в інші види енергії, при цьому коефіцієнт його корисного використовування як паливо на газогенераторах може складати до 83%. Виробництво біогазу в деяких зарубіжних країнах вже зайняло провідне положення в енергетичному балансі сільськогосподарського виробництва.
Автономна Республіка Крим має в своєму розпорядженні достатні ресурси органічних відходів, володіє необхідним науковим і технічним потенціалом для розробки і створення сучасного устаткування для перетворення біомаси в газоподібне паливо.
Комплексною науково-технічною програмою розвитку нетрадиційних відновлюваних джерел енергії в Криму до 2010 р. було передбачено будівництво двох установок по отриманню і використовуванню біогазу на міських очисних спорудах і 9 установок по комплексному використовуванню сільськогосподарських відходів в господарствах Кримського регіону [5].
7.
ВОДНЕВА ЕНЕРГІЯ
На даний момент водень є «паливом майбутнього, що розробляється». На це є декілька причин: при окисленні водню утворюється як побічний продукт вода, з неї ж можна водень здобувати. А якщо врахувати, що 73% поверхні Землі покриті водою, то можна вважати, що водень невичерпне паливо. Так само можливе використовування водню для здійснення термоядерного синтезу, який ось вже декілька мільярдів років відбувається на нашому Сонці і забезпечує нас сонячною енергією.
7.1 Керований термоядерний синтез
Керований термоядерний синтез використовує ядерну енергію яка виділяється при злитті легких ядер, таких як ядра водню або його ізотопів дейтерію і тритію. Ядерні реакції синтезу широко поширені в природі. Найближча до нас зірка - Сонце - це природний термоядерний реактор, який вже багато мільярдів років забезпечує енергією життя на Землі. Ядерний синтез вже освоєний людиною в земних умовах, але поки не для виробництва мирної енергії, а для виробництва зброї він використовується у водневих бомбах. Починаючи з 50 років, в нашій країні і паралельно в багатьох інших країнах проводяться дослідження по створенню керованого термоядерного реактора. Із самого початку стало ясно, що керований термоядерний синтез не має військового застосування.
Існують величезні запаси палива для термоядерної енергетики. Дейтерій - це широко поширений в природі ізотоп, який може здобуватися з морської води. Тритій буде виробляється в самому реакторі з літію. Запаси дейтерію і літію достатні для виробництва енергії в перебігу багатьох тисяч років і це паливо, як і продукт реакцій синтезу - гелій - не радіоактивні.
Не дивлячись на великі успіхи досягнуті в цьому напрямі, термоядерним реакторам належить ще пройти великий шлях перш, ніж буде побудований перший комерційний термоядерний реактор. Розвиток термоядерної енергетики вимагає великих витрат на розвиток спеціальних технологій і матеріалів і на фізичні дослідження. При нинішньому рівні фінансування термоядерна енергетика не буде готова раніше, ніж 2020-2040 р.
Водень, найпростіший і легший зі всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окислу вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п. Водень володіє дуже високою теплотворною здатністю: при спалюванні 1 г водню виходить 120 Дж тепловій енергії, а при спалюванні 1 г бензину - тільки 47 Дж.
Водень можна транспортувати і розподіляти по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива - найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, ніж повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750 мм на відстань понад 80 км обійдеться дешевше, ніж передача тоги ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелю. На відстанях більше 450 км трубопровідний транспорт водню дешевше, ніж використовування повітряної лінії електропередачі постійного струму з напругою 40кВ, а па відстані понад 900 км - дешевше за повітряну лінію електропередачі змінного струму з напругою 500 кВ.
Водень - синтетичне паливо. Його можна одержувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно оцінкам, сьогодні в світі виробляють і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а інше - на видалення сірі з газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля і інших палив. У сучасній економіці водень залишається швидше хімічним, ніж енергетичною сировиною [3].
7.2 Сучасні і перспективні методи виробництва водню
Зараз водень виробляють головним чином (близько 80%) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія, одержувана з такого водню, обходиться в 3,5 рази дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає у міру підвищення цін на нафту.
Невелику кількість водню одержують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожче, ніж вироблення його з нафти, але воно розширятиметься і з розвитком атомної енергетики стане дешевшим. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде на розкладання води з утворенням водню. Правда, ціна електролітичного водню залишиться вище за ціну електричного струму, зате витрати на транспортування і розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятна в порівнянні з ціною електроенергії.
Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок ефективнішого розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори, полунепроніцаємиє мембрани і т.п.
Велику увагу надають термолітічеському методу, який (у перспективі) полягає в розкладанні води на водень і кисень при температурі 2500 °С. Но таку температурну межу інженери ще не освоїли у великих технологічних агрегатах, у тому числі і працюючих на атомній енергії (у високотемпературних реакторах поки розраховують лише на температуру біля 1000°С). Тому дослідники прагнуть розробити процеси, що протікають в декілька стадій, що дозволило б виробляти водень в температурних інтервалах нижче 1000°С.
Сьогодні ми не в змозі точно передбачити, скільки коштуватиме водню. Але якщо врахувати, що ціни всіх сучасних видів енергії проявляють тенденцію до зростання, можна припустити, що в довгостроковій перспективі енергія у формі водню обходитиметься дешевше, ніж у формі природного газу, а можливо, і у формі електричного струму [2].
7.3 Використовування водню
Коли водень стане таким же доступним паливом, як сьогодні природний газ, він зможе усюди його замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, у водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, вживаних для спалювання природного газу.
Як ми вже говорили, при спалюванні водню не залишається ніяких шкідливих продуктів згорання. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні, Більш того, водяна пара, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом - він зволожує повітря. А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, але і підвищує до. п. д. опалювання на 30%.
Водень може служити і хімічною сировиною в багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив і продуктів харчування, в металургії і нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях [8].
7.4 «
Водневий» автомобіль
Французький автомобільний концерн Renault спільно з компанією Nuvera Fuel Cells планує розробити серійний автомобіль, що використовує як паливо водень, вже до 2010 р.
Мал 4. Схема розташування паливних елементів усередині автомобіля.
Nuvera - невелика американська компанія, з 1991 року що займається розробкою двигунів, альтернативних домінуючим зараз бензиновим і дизельним. У основі розробок Nuvera лежить так званий "паливний елемент".
Паливний елемент - пристрій, що не має рухомих частин, в якому відбувається хімічна реакція водню і кисню, в результаті якої виробляється електрика. Побічними продуктами реакції є тепло, що виділяється, і деяка кількість води.
Принцип "паливного елементу" в корінні відрізняється від звичного процесу електролізу, вживаного зараз в батареях і акумуляторах. Розробники стверджують, що їх продукція - це по суті справи "вічна батарея", що має дуже значний термін служби. Крім того, на відміну від звичної батареї, "паливний елемент" не потребує заряджання.
Взагалі-то зусилля Nuvera направлені на створення водневого двигуна, який би був повноцінною альтернативою традиційним бензиновим і дизельним моторам. А автомобілі з такими двигунами по своїх технічних характеристиках ні в чому не поступалися звичним машинам. Але це - плани на майбутнє. Поки ж йдеться тільки про гібридні двигуни, здатні працювати і на звичному паливі.
Поки ж фахівці сходяться на думці, що масового "настання" автомобілів на гібридних, а потім і чисто водневих двигунах, слід чекати не раніше 2010 року.
Загалом, поживемо - побачимо. Якщо на той час крізь вихлопні гази хоч що-небудь вдасться роздивитися [7].
ВИСНОВКИ
Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його одержаному, виснаження паливних ресурсів - всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали останніми роками в багатьох країнах виник значний інтерес до нових джерел енергії.
Людство, в процесі свого розвитку зіткнулося з новою, дуже гострою проблемою, такою як виснаження природних запасів енергії, таких як нафта, газ, кам’яне вугілля. Тому у 21столліті одна з головних задач науки – пошук альтернативних джерел енергії.
У другій половині 20 століття людство досягло деякого прогресу у цьому напрямі. Були висунуті теорії та ідеї щодо використання таких нетрадиційних видів енергії. Це енергія вітру, енергія світового океану, енергія сонця, гідроенергетика, геотермальна енергія, енергія біомаси, воднева енергія.
Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі рівний 1200 ТВт.
Енергетичні джерела океану мають різні по потенціалу ресурси. Значні енергетичні можливості містять в собі: енергія хвиль і приливів; енергія хімічних зв'язків газів, живильних речовин, солей і інших мінералів; прихована енергія водню; енергія течій, спокійно і нескінченно рухомих в різних частинах океану.
Потенційні можливості енергетики, заснованої на використовуванні безпосередньо сонячного випромінювання, надзвичайно великі. Використовування всього лише 0.0125 % кількості енергії Сонця могло б забезпечити всі сьогоднішні потреби світової енергетики, а використовування 0.5 % - повністю покрити потреби на перспективу.
Ці види енергії є досить перспективними, але витрати на їх будівництво високозатратні і в найближчій перспективі не може бути рекомендована для упровадження у великих об'ємах через високу питому вартість енергетичних установок, низький коефіцієнт використовування встановленої потужності установок.
Вони всі володіють колосальними запасами енергії. Але людина поки що неспроможна у повному обсязі використовувати увесь цей енергетичний потенціал.
ЛІТЕРАТУРА
1. Львович М.І. ”Світові водні ресурси і їх майбутнє” – М.:Мысль, 1974 р. 448с.
2. Интернет издание «Мембарана.Ру». (www.membrana.ru)
3. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.
4.Смірнов Г.Н. Океанологія, „Вища школа”, Москва, 1987 р.402 с.
5. Скинер Б. „Хватит ли человечеству ресурсов? М.:Мир, 1989 р. -264ст.
6. http://energy.org.ru.
7. www.alterenergy.ru/
8. www.inversiya.com/