Альтернативные источники энергии

получение электроэнергии с помощью фотоэлементов; преобразование солнечной энергии  в электричество с помощью  тепловых машин: паровые машины (поршневые  или турбинные), использующие водяной  пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга и так  далее; гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах); термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор); солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием); преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

             Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. 

         Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

       

  Солнечная энергия  - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

            В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% 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 громадные  потенциальные ресурсы  удастся  реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть  этой энергии может быть практически  использована. Едва ли не главная причина  подобной ситуации – слабая плотность  солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с  1м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах  плотность солнечной энергии  составляет 80 – 130 Вт/м², в умеренном поясе – 130 – 210, а в пустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м². Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

Однако даже при наилучших  атмосферных  условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения  составляет не более 250 Вт /м². Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 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 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн. 

Из выше изложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

Солнечная энергетика относится к  наиболее материалоёмким  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. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится  намного дороже, чем получаемая традиционными  способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных  установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические  проблемы.

Но, тем не менее, станции-преобразователи  солнечной энергии строят, и они  работают.

В южных районах нашей страны  созданы десятки солнечных установок  и систем. Они осуществляют горячее  водоснабжение, отопление и кондиционирование  воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и так далее.

           С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего         5 МВт. Она работает без  каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

С начала 50-х годов в нашей  стране космические летательные  аппараты используют в качестве основного  источника энергопитания солнечные  батареи, которые непосредственно  преобразуют энергию солнечной  радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты  солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти  станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный  поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий  и смены дня и ночи. Ведь в  космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью. 

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более  дешевых возможностей использования  солнечной энергии. Возникают новые  идеи, новые проекты.

 

 

2.2.2. Энергия ветра.

 

         В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое влияние уделяют ветроэнергетике.

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца.         Наибольшее  распространение в мире получила  конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения.

 

Человек использует энергию ветра  с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле.  Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это  более чем в 10 раз превышает  гидроэнергетический потенциал  планеты.

Почему же столь обильный доступный  и экологически чистый источник энергии  так слабо используется?  В  наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего  одну тысячную мировых  потребностей в энергии. 

Ветровой энергетический потенциал  Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии.  Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек.,  называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической  энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических  машин привело к появлению  на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые  ветроэлектрические агрегаты предназначены  для снабжения электроэнергией  отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции  преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который  одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных  районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования  энергии ветра – получение  электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии  для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот  и так далее.  В местностях,  имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и другое.

По оценкам специалистов, энергию  ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные  перерывы в подаче энергии. Использование  же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят  обычно в районах с постоянно  дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах  и так далее). Такие установки  уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что  за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь  его в работу, обходятся слишком  дорого.

При использовании ветра возникает  серьезная проблема: избыток энергии  в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать  и сохранить впрок энергию  ветра? Простейший способ состоит в  том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный  выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную  турбину  и генератор постоянного  или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

 

2.2.3. Геотермальная энергетика (энергия земли).

 

Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а  также тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, возобновляемым энергетическим ресурсам.

 

В вулканических районах циркулирующая  вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших  глубинах и по трещинам поднимается  к поверхности иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Высокие горизонты пород с температурой менее 100°C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Издавна люди знают о стихийных  проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. 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.

Энергетика земли  (геотермальная  энергетика) базируется на использовании  природной теплоты Земли. Недра  Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего  тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014    млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной энергии могут  быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.