Альтернативные виды энергии

Министерства науки и образования Украины

Доклад

на тему:

Альтернативные виды энергии

                                                                           Выполнил ученик 9-Б класса

общеобразовательной школы № 1

                                                                                 I – III ступеней

                                                                           Калугин Илья Русланович

                                                                             Руководители:

Шкоропадо Александр Сергеевич

                                                                            Шкоропадо Максим Сергеевич

Одесса 2007

Содержание

Введение

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь.  Огонь давал им тепло  и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Энергия – не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле – естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах – размножитесь плутония. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топли­ва – водорода, однако управляемые термоядерные реак­ции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использова­ны для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Данная работа является кратким, но обширным обзором современного состояния энергоресурсов человечества. В работе рассмотрено развитие энергетики, как отрасли народного хозяйства, эволюция источников энергии, а также проблемы освоения и использования новых ресурсов энергии (альтернативные источники энергии).

Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и  обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.

Но существуют и “традиционные” виды альтернативной энергии. Это энергия Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце.

Цель работы – прежде всего, ознакомиться с современным положением дел в этой необычайно широкой проблематике, анализ новых путей получения практически полезных форм энергии.

К новым формам первичной энергии, рассмотренным, в нашей работе в пер­вую очередь относятся: солнечная и геотермальная энергия, приливная, атомная, энергия ветра и энергия волн. В отличие от ископаемых топлив эти формы энергии не ограниче­ны геологическими накопленными запасами (если атом­ную энергию рассматривать вместе с термоядерной). Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

На сегодняшний день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать.

Мир ищет энергию

Никакой вид энергии не обходится                                                               так дорого, как её недостаток.

                                                                                              Г. Баба, 1964.

Это высказывание известного индийского ученого никогда не звучало столь актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все уси­лия к поиску новых путей получения энергии.

Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, тех­ническим освоением и способами использования различных источни­ков энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения при­обретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего.

Мир, в котором мы живем, можно изучать с самых разных то­чек зрения. Новые знания ведут к постоянному их сужению, все с большей дифференциации научных дисциплин и соответствующих им областей человеческой деятельности. Результаты объективной оцен­ки в этих областях весьма различны. Если говорить о существующей и поныне угрозе войн, о миллионах недоедающих и голодных, о все возрастающем загрязнении жизненной среды, то приходится констатировать наличие серьезнейших проблем, решение которых не терпит отлагательства. Проблемы эти тревожат весь про­грессивный мир и не позволяют человечеству удовлетвориться достигнутым. Если же оценивать развитие науки и техники само по себе, в самом широком смысле слова, то здесь успехи весьма велики и заслуживают высочайшего уважения.

Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетичес­кое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцвета­ют и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых ус­тановок или о новых изобретениях в области энергетики. Разра­батываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат. Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - энергетическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии.

И все равно энергии будет мало, а потребности в ней растут еще быстрее.

Уровень материальной, а в конечном счете и духовной куль­туры людей находится в прямой зависимости от количества энер­гии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израс­ходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.

Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько по­надобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной зада­чи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее пре­образований из других форм. Вечные двигатели, якобы производя­щие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложи­лась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым поль­зовался первобытный человек для согревания, то есть при сжига­нии топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых элект­ростанциях.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды, потребовали нового подхода к энергетике.

В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые нашей страны, специалисты различных минис­терств и ведомств. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия. Энергетическая программа страны - основа нашей техники и экономики в канун 21 века.

Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, уста­новленных Энергетической программой. В 21 веке, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запа­сов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефте­добывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходу­ют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда, а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны. Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило заду­маться о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда те страны, где нет собс­твенных запасов нефти газа, и поэтому приходится покупать.

А пока в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных пу­тях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и вет­ра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

Энергия – с чего все началось

Сегодня нам может казаться, что развитие и совершенствование человека происходило невообразимо медленно. Ему в буквальном смысле слова приходилось ждать милостей от природы. Он был практически беззащитен перед холодом, ему непрестанно угрожали дикие звери, его жизнь постоянно висела на волоске. Но постепенно человек развился настолько, что сумел найти оружие, которое в сочетании со способностью мыслить и творить окончательно возвысило его над всем живым окружением. Сначала огонь добывали случайно – например, из горящих деревьев, в которые ударила молния, затем стали добывать сознательно: за счет трения друг о друга двух подходящих кусков дерева человек впервые зажег огонь 80–150 тысяч лет назад.

После этого люди уже не отказывались от возможности использовать огонь в борьбе против суровых холодов и хищных зверей, для приготовления с трудом добытой пищи. Сколько ловкости, настойчивости, опыта, да и просто везения это требовало. Шло время. Люди научились получать тепло.

И все же постепенно, мало-помалу они стали использовать силу прирученных животных, ветра и воды. По данным историков, первые тягловые животные была запряжены в плуг около 5000 лет назад. Упоминание о первом использовании водной энергии – запуске первой мельницы с колесом, приводимым в движение водяным потоком,– относится к началу нашего летосчисления. Однако потребовалась еще тысяча лет, прежде чем это изобретение получило распространение.

На протяжении столетий степень использования новых источников энергии - домашних животных, ветра и воды – оставалась очень низкой. Главным же источником энергии, при помощи которой человек строил жилье, обрабатывал поля, защищался и нападал, служила сила его собственных рук и ног. И так продолжалось примерно до середины нашего тысячелетия. Правда, уже в 1470 г. был спущен на воду первый большой четырехмачтовый корабль; около 1500 г. гениальный Леонардо да Винчи предложил не только весьма остроумную модель ткацкого станка, но и проект сооружения летающей машины. Ему же принадлежат многие другие, для того времени просто фантастические идеи и замыслы, осуществление которых должно было способствовать расширению знаний и производительных сил. Но подлинный перелом в технической мысли человечества наступил сравнительно недавно, немногим более трех столетий назад.

Одним из первых гигантов на пути научного прогресса человечества, несомненно, был Исаак Ньютон. Этот выдающийся английский естествоиспытатель всю свою долгую жизнь и незаурядный талант посвятил пауке: физике, астрономии и математике. Он сформулировал основные законы классической механики, разработал теорию тяготения, заложил основы гидродинамики и акустики, в значительной мере способствовал развитию оптики, вместе с Лейбницем создал начала теории исчисления бесконечно малых и теории симметричных функций. Физику XVIII и XIX столетий по праву называют ньютонавской. Труды Исаака Ньютона во многом помогли умножить силу человеческих мускулов и творческие возможности человеческого мозга.

Промышленная революция – так мы часто называем эту эпоху великих открытий – существенно изменила течение жизни на нашей планете. Одним из ее последствий было окончательное падение феодализма, который уже не мог приспособиться к развитию новых производительных сил, и упрочение капиталистических производственных отношений. Джеймс Уатт изобрел паровую машину, которая раскрутила колесо истории до небывалых прежде оборотов.

Итальянский физик А. Вольта родился в 1745г. Он продолжил эксперименты своего земляка Л. Гальвано и прославился изобретением электрической батареи (1800). В его честь мы называем основную единицу электрического напряжения вольтом. (В). Вольтову батарею – так называемый элемент–составляли два разных проводника электрического тока (электроды), погруженные в жидкость (электролит), через которую протекал электрический ток. В качестве электродов Вольта использовал медь и цинк, а электролитом служила соленая вода. Долгим и трудным был путь от этого первого источника постоянного тока до современной электрификации большей части нашей планеты.

Затем последовало множество открытий, связанных с магнитными свойствами электрического тока. Французский физик Андре Ампер стал основоположником новой науки – учения об электромагнетизме. Отсюда оставался один шаг до создания электродвигателя, Этот решающий шаг помогли сделать великий английский физик и химик, бывший ученик переплетчика Майкл Фарадей, немецкий физик, живший и работавший в России, Герман Якоби и многие другие, известные и неизвестные механики, физики и химики. Первые электродвигатели работали от усовершенствованных вольтовых элементов. Они обладали малой мощностью и постепенно были вытеснены двигателями переменного тока. Для этого потребовалось создать новые источники такого тока – генераторы, а затем турбины, чтобы приводить их в движение.

Путь к всеобщей электрификации проходил через множество крупных и мелких открытий и изобретений. Но это был логичный и целенаправленный путь. Электрическую энергию легко можно передавать на большие расстояния и непосредственно использовать для самых разнообразных целей.

Сколько людям нужно энергии

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и опти­мизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продук­тов, технологическим средством и т.д.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарни­ков, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренно­го обращения с огнем, его получением и тушением, сохранени­ем огня и рациональным использованием топлива.

Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждо­го килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла. Напомним также, что теплота сгорания бурого угла равна примерно 13000 кДж/кг, антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород -120000 кДж/кг.

Пришло время объяснить, что же такое энергия, т.е. величи­на, измеряемая килоджоулями. Известна и другая физическая величина - работа, имеющая ту же размерность, что и энергия.

Оказывается, вопрос имеет принципиальное значение. Энер­гия - слово греческое, означающее в переводе деятельность. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру раз­личных форм движения материи. Энергию можно получить при сгорании 1кг угля или 1кг нефти, которые называются энерго­носителями. Законы физики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах и использовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоно­сителе. Энергия - это, по сути дела, энергетический потенциал, а работа - это та часть потенциала, которая дает полезный эффект. Разницу между энергией и работой называют рассеявшейся энергией. До сих пор по традиции еще применяют понятия потен­циальной и кинетической энергии, хотя в действительности из-за огромного разнообразия видов энергии было бы целесооб­разно пользоваться единственным термином - энергия. Таким образом, работа совершается в процессе преобразования одних видов энергии в другие и характеризует полезную ее часть, полученную в процессе такого преобразования. Рассеянная в процессе совершения работы энергия неизменно превращается в тепло, которое сообщается окружающему пространству. По­скольку процессы преобразования одних видов энергии в другие бесконечны, любая работа, в конце концов, переходит в тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше чело­вечество добывает угля, нефти и других энергоресурсов, тем больше оно в конечном итоге нагревает окружающую среду.

Прогноз роста потребности в энергии чаще всего связывают с ростом численности населения Земли. При этом предполагают, что на каждого жителя уровень полученной энергии будет также увеличиваться.

Очевидно, что в результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столе­тия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля из-за вредных выбро­сов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов хватит не менее чем на 1000 лет.

Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может находиться и находится в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах, а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии для ее преобразования.

Альтернативные источники энергии

Солнечная энергия

В этой главе, речь пойдет об энергии солнца. Как известно Солнце является одним из  основных источников жизни на нашей планете.

Своей жизнетворной силой Солнце всегда вызывало у людей чувства поклонения и страха. Народы, тесно связанные с природой, ждали от него милостивых даров – урожая и изобилия, хорошей погоды и свежего дождя или же кары – ненастья, бурь, града. Поэтому в народном искусстве мы всюду видим изображение Солнца: над фасадами домов, на вышивках, в резьбе.

Почти все источники энергии, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на земном шаре.

В последнее время возрос интерес к солнцу как к неисчерпаемому источнику энергии. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использование непосредственного солнечного излучения чрезвычайно велики. Ведь солнечное излучение также является экологически чистым и возобновляемым источником энергии.

Известно что, за  три  дня Солнце посылает на Землю   столько   энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или   поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая    Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и без машинные методы. Последние часто называют методом прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.

Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200 – 1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в генератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике – излучателе.

В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике – излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установке, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15 – 20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600 – 650 градусов Кельвина.

Наиболее привлекательной идеей  относительно преобразования солнечной энергии по мнению специалистов является использование без машинных преобразователей: термоэлектрических, термоэмиссионных и фотоэлектрических, непосредственно преобразующих энергию солнечного излучения в электрический ток.

На сегодняшний день распространенными является фотоэлектрические элементы.

Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фото преобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p−n переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p−n переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p−n переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Ток будет  зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности. Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70оС теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей колеблется в пределах 10 – 16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

На пример, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт·ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверх­ности около 500000м2. Ясно, что такое огромное коли­чество солнечных полупроводниковых элементов может. Окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно сла­бой интенсивности солнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.

В связи с этим многие специалисты выдвигают идею о размещение солнечной электростанции в космосе, Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Хотя к проектированию подобных электростанций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой  вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удаленную от Земли орбиту.

Покажи, солнечные батареи используются эффективно на космических станциях и спутниках.

На сегодняшний день ведутся работы, пока не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методом использования гелио 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.

Необходимы новые варианты и технологий позволяющие из той солнечной энергии, которая попадает на земную  поверхность получать максимальное КПД также необходимо добиться дешевизны материалов и облегчения производства гелиостатов. Пока не найдено не каких отрицательных качеств этих станций. Работы в этой области энергетике ведутся по всему миру.

Ветровая энергия

Как известно, мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, они постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяс­нить многие явления.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы  гидроэнергии  всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические  условия позволяют  развивать ветроэнергетику на огромной территории.

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс.

Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.

К решению первой проблемы привлекли специалистов самолета строения умеющих выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, для получения максимальной энергии ветра. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельс, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.

Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3.

По оценкам различных авторов, ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога.

Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.  следует  также учитывать те изменения, которые вносятся  ветровыми  установками в ландшафт местности, их размещение должно соответствовать  не только стандартам безопасности и эффективности, но и правильного размещения на местности (мельницы ВЭУ, расположенные хаотично менее эффективны, чем те, которые расположены в определенной геометрической последовательности).

Малые ВЭУ обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим дублер, то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливаются достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю (фермы) может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому (ферма) занимает много место. Такие (фермы) есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Ветроэнергетика сильно зависит от капризов природы. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветра агрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветра агрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Для  эффективной работы  ВЭУ их  размещают на открытых пространствах, реже на территориях сельскохозяйственных угодий,  что повышает их продуктивность. В горных районах ветра установки работают эффективно из-за природных особенностей данных местностей, там преобладает движение воздушных масс с большой силой  и скоростью, к тому же это дает энергию в труднодоступные районы.   

Правильная установка влияет на КПД ветра агрегатов поэтому удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15 – 30% энергии ветра или даже меньше в зависимости от место положения и параметров установки.

Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры.

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.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 - 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

Одна из возникших проблем ветра агрегатов это избыток энергии в ветреную погоду и не достаток ее период без ветрея. Способов хранения ветреной энергии очень много рассмотрим наиболее простые один из способов: состоит в том, что ветряное колесо движет насос, кото­рый накачивает 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 ветра агрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Ветровая энергия это огромная энергия, надо только правильно ее получать и хранить. На сегодняшний день во многих странах мира используют ветра агрегаты при этом суммарная мощность ветра установок в мире быстро возрастает по использованию ВЭУ в мире лидирует США, в Европе Германия, Англия, Дания, Нидерланды.

Германия получает от ветра десятую часть своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветре дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного» электричества падает. Так, в 1993 году во Франции себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2006 году она снизилась в 1,7 раз.

Рассмотрим теперь отрицательное влияние ВЭУ на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Действительно  крупные  ВЭУ влияют на телесигнал. На расстоянии  до 0.5 км, они вызывают помехи в телесигнале, это связано с тем, что лопасти ветрового колеса ВЭУ отражают сигналы, вызывая помехи при передачи телевизионного сигнала. Вследствие работы  крупных ВЭУ больше 20 кВт возникает достаточное количества инфразвука, которое  влияет на состояние человека и животных. При работе крупных ВЭУ возникает и естественный шум от работы ветрового колеса. Поэтому размещение ВЭУ больше 10 кВт нежелательно в переделах  черты города. С этими отрицательными  факторами  пытаются бороться, в частности применяя  новые виды материала, которые способны пропускать сигналы  в большом спектре  и  т.д.

Ветровая энергетика вызывает все больше интерес и стремление к усовершенствованию установок для максимальной эффективности. Во многих страна  начинают их применять в домах, на фермах, на небольшом производстве.

Проект постоянное электричество без загрязнения окружающей среды «ПЭБОС»

В предыдущих главах мы рассматривали виды энергии и источники энергии. В этой главе мы рассмотрим их применения в быту.  Нами разработан проект ПЭБОС данный проект можно применить в не городских условиях, точнее в частных домах на загородных дачах.

Задача проекта состоит в следующем с помощью гелио установок и ветра установок обеспечить себя постоянным электричеством и стать электра независимым от основных источников электричества.

Рассмотрим основные положения проекта. На территории участка не обходимо установить одну три ветра установки не большой мощности, так чтобы они находились на расстоянии 15 -20 метров от дома также друг от друга. Мы выбрали ветра установку не большой мощности «конвет-1Э» с асинхронным генератором «2кВт, 230Вт» ветрено колесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечить энергией всю бытовую технику, а также заряжать аккумуляторные батареи. КПД такой установки 46 – 48%. Особая конструкция лопастей и специальные приспособления позволяют «конвекту -1Э» эффективно начинать работать при силе ветра 4 метра в секунду. Масса установки примерно 400кг. Также можно применить гелио установки двух типов: машинные и без машинные. Без машинные установки, основанные на фотоэлектрических методов преобразования энергии солнечной батареи можно установить на крыши дома. Если есть рядом домик для подсобного хозяйства, то можно установить солнечные батареи на его крыши, а внутри поставить аккумуляторы для сбора энергии. КПД таких установок 13 – 15%. Масса солнечных батарей будет зависеть от площади крыши.

Рассмотрим машинные установки поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода–плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект.

Устанавливаются они аналогично, некоторые машинные установки можно собрать самому.

Данное комбинирование позволяет предохраниться отключение электричества, основных источников. В солнечную и без ветреную погоду накопление энергии  происходит за счет гелио установок. В облачную и ветреную погоду за счет ветра установки.

Самым идеальным случаем считается солнечный день и ветреная погода. Тогда энергия будет накапливаться за счет ветра и гелио установок.

На рисунках изображены схемы двух видов получения энергии.

Рис. 1

На рис. 1 изображена схема, в которой солнечные батареи находятся на крыши дома, а ветра установки на территории. Основной накопитель энергии находится в доме.

Рассмотрим еще схему, предназначенную для подсобного хозяйства  рис.2.

Рис.2

На рис. 2 солнечная батарея находится на крыши подсобного хозяйства, аккумулятор, для накопления энергии внутри который соединен с основным аккумулятором. Внутри дома идет распределение к источнику потребления.

Данный проект является выгодным и независящим от источников энергии, не загрязняющим окружающую среду. Отрицательной стороной этого проекта является дороговизна ветра установок и гелио батарей от площади участка. А также покупка аккумулятора для хранения энергии.

Этот проект находится в стадии разработки и усовершенствован. В этой работе представлено только суть проекта без углубления процесса передачи, хранения и распределения энергии.

Произведем небольшие расчеты количества потребляемой энергии, а также необходимого количества средств, которые нужно затратить на установку ВЭУ.

В течении суток потребляет в среднем 1.5-10 кВт, таким образом затраты на приобретение и установку ВЭУ с аккумулятором составит 5-6 тысяч долларов для обеспечения энергией, один или 2 дома, включая подсобное хозяйства.   Для нашего проекта мы выбрали ветроэлектрическую установку ВЭУ-08. Расскажем подробнее об этой установки, а также об ее характеристиках. Ветра установка ВЭУ-08 предназначена для обеспечения электроэнергией небольших объектов. Применяется как в местах, где отсутствует сетевая энергия (туристические лагеря, фермерские хозяйства, дачные участки, питание автономных комплексов), так и в качестве резервного источника электроэнергии для частных домов, коттеджей.
  На ВЭУ-08 применена аэромеханическая система стабилизации частоты вращения ветротурбины, позволяющая эксплуатировать ее в широком диапазоне скоростей ветра. Тихоходный генератор на постоянных магнитах прямо приводится турбиной. Отсутствие мультипликатора и системы возбуждения генератора обеспечивает высокий ресурс ветроустановки. Этой установкой обеспечивается питание нагрузки мощностью до 1.5кВт стабилизированным синусоидальным напряжением 220В/50Гц, а также возможность подключения к системе фотоэлектрических модулей.

                 Основные характеристики ВЭУ-08.

      Номинальная мощность 800 Вт

      Диаметр ветротурбины 3.1 м

      Стартовая скорость ветра 2.5 м/с

      Расчетная скорость ветра 8м/с

      Макс. эксплуатационная  скорость ветра 50 м/с

      Номинальная частота  вращения  310 об/мин

      Метод  остановки   флюгирование

      Регулирование  оборотов  изменение  шага

      Номинальное  напряжение  генератора  24 В

      ЭДС  генератора  до 60 В

      Рекомендуемая  высота  мачты  11-17 м

       

ВЭУ-08 имеет следующий вид

Рис.3

1-Ветротурбина, 2-Генератор, 3-Центральная рама, 4-Кожух, 5-Хвостовая балка,

6-Киль, 7-Кок ветротурбины, 8-Выпрямитель, 9-Трос флюгирования ветротурбины,

10-Опорно-поворотное устройство с токосьемом

Если на участке не построен домик для подсобного хозяйства, тогда можно солнечные батареи укрепить на мачте ветроустановки. На  Рис. 4 представлена подробная схема, с помощью которой  осуществляется получение энергии от ВЭУ и от солнечной батареи (фотоэлектрического модуля).

      В типовой состав системы энергообеспечения нагрузок 220В/50Гц на основе ВЭУ-08 входят следующие компоненты:

Головка ВЭУ-08 - вырабатывает "грубую" электроэнергию с нестабильными параметрами, зависящими от скорости ветра.

Фотоэлектрический модуль (ФЭМ) - опциональный компонент, вырабатывающий дополнительную "грубую" энергию. Повышает надежность энергообеспечения и суммарную выработку энергии.
Аккумуляторная батарея (АБ) - накопитель энергии для согласования графиков выработки и потребления энергии. Применяется кислотная АБ с номинальным напряжением 24В и рекомендуемой емкостью 190АЧ. Может составляется из двух автомобильных стартерных АБ 12В.
Источник бесперебойного питания - устройство, согласующее между собой указанные выше компоненты, нагрузку и внешнюю сеть 220В. Заряжает АБ от ВЭУ, ФЭМ и внешней сети 220В. Преобразует накопленную в АБ энергию в стабилизированные 220В/50Гц с номинальной мощностью до 1.5кВт. Автоматически коммутирует нагрузку на питание от внешней сети 220В или от преобразователя. Отображает параметры системы на цифровом индикаторе.
Мачта - служит для установки головки на высоте 11-17м, на которой ветровой поток не затеняется препятствиями и имеет достаточную скорость.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели два  основных вида энергии и проект ПЭБОС. Мы попытались обратить внимание на альтернативные виды энергии, а также их применения в быту. Так как альтернативные виды энергии менее загрязняют окружающую среду в сравнении с основными источниками энергии.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, которая не требовала бы – прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного "корма".

              Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.

              И вот новый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

              Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая".

              Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

              Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее.

                            Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: "Нет простых решений, есть только разумный выбор".

На данном этапе мы не отказываемся полностью от основных источников энергии лишь хотим, чтобы обратили внимание на существование альтернативной энергии, так как запас основных источников кончается.

Литература

1.      Мусский С.А.  100 великих чудес техники.- М.: Вече, 2002. – 432с.

2.      Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

3.      Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 215 с.

4.      Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника,       1997. – 110 с.

5.      Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1990. – 128 с.

6.      Кононов Ю. Д.. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981. – 190 с.

7.      Меркулов О. П. У пошуках енергії майбутнього. – К.: Наукова думка, 1991. – 123 с.

8.      Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю. Н. Старшикова. – М.: Энергия, 1980. – 256 с.

9.      Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.

10. Соснов А. Я. Энергия Земли. – Л.: Лениздат, 1986. – 104 с.

11. Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.

12. Шульга В. Г., Коробко Б. П., Жовмір М. М. Основні результати та завдання впровадження нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії в Україні.// Энергетика и электрификация. – 1995 г. - №2. – ст. 39-42.

13. Энергетика мира: Переводы докладов XI конгресса МИРЭК/ Под ред. П. С. Непорожнего. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 216 с.

14. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.

15. Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны. Мир ищет энергию. – М.: Мир, 1981. – 440 с.

16. Юдасин Л. С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.

2