Нетрадиционные источники электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Нетрадиционные источники электроэнергии

1.1 Энергия ветра

1.2 Энергия солнца

1.3 Энергия приливов

1.4 Термоядерный синтез

1.5 Энергия вакуума

1.6 Состояние вопроса на сегодняшний день

2. Способы производства альтернативной энергии

2.1 Ветровые электростанции

2.2 Солнечные электростанции

2.3 Приливные электростанции

2.4 Термоядерный реактор

2.5 Способ получения энергии вакуума

Заключение

Список использованных источников и литературы

Введение

Актуальность данной темы состоит в том, что проблема истощения природных ресурсов - это одна из глобальных проблем. В будущем необходимо разрабатывать технологии использования возобновляемых (альтернативных) источников энергии. Это такие как: энергия ветра, солнца, приливов-отливов, термоядерный синтез и энергия вакуума.

Острую тревогу вызывают запасы традиционных природных топлив (нефти, угля и др.), так как человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Однако, в настоящее время преобладающая часть минеральных ресурсов, обнаруженных близ поверхности земного шара, исчерпана. Потому остро встал вопрос, сколько времени человечество сможет продолжать свою традиционную практику потребления не возобновляемых ресурсов.

Учитывая рост потребления энергии во всем мире, нынешних запасов нефти хватит примерно на 35-40 лет. Промышленные запасы угля только на действующих шахтах составляют в области 3,4 миллиарда тонн, чего при нынешних темпах добычи хватит более чем на 100 лет.

Современное промышленное общество расходует огромное количество энергии. Серьезные опасения вызывает проблема истощения и рационального использования ее запасов.

Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Более того, в некоторых странах они уже существуют. Но в настоящее время существует проблемы получения энергии. Чтобы выходить из такой ситуации, необходимо находить альтернативные способы получения энергии. Поиск и применение альтернативных источников энергии позволит решить ряд важных для России проблем. Это позволит экономить небезграничные запасы топлива, сократить растущее загрязнение окружающей среды, благотворно повлияет на энергетическую безопасность страны и даст энергетическую независимость отдельным ее районам.

В настоящее время разработаны и применяются различные способы использования нетрадиционных источников энергии.

Это такие как: энергия солнца, ветра, приливов-отливов и так далее.

Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся.

Цель работы: Подробно изучить альтернативные источники энергии.

В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

Рассмотреть нетрадиционные источники электроэнергии

Изучить состояние вопроса на сегодняшний день.

Выявить способы производства альтернативной энергии

Дать оценку перспектив

Объектом исследования является альтернативные источники.

Предметом исследования являются методы получения альтернативной энергии.

В данной работе были использованы такие методы исследования, как:

- Анализ и синтез

- Индукция и дедукция

1. Нетрадиционные источники электроэнергии

1.1 Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт.ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки.[6]

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними, должна занимать большую площадь. К тому же, ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные "ромашки"; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие "вставшего дыбом" вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные "ветреные фермы". Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю "фермы" может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. 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.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того, как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. [5, С.216-219]

1.2 Энергия солнца

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 Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. 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 все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного небольшого озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

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

Согласно легенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот под Сиракузами, при помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобные зеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французский естествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом, состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали в одну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летний день с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево. Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1,3 м, в фокусе которого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии же отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расплавлять чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию можно пойти двумя путями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал - для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

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 (на 200-500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки - фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу-это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким 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. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт в год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. энергия солнечный ветряной электрический

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии и строят и они работают.

По мнению специалистов, наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Коэффициент полезного действия (КПД) производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %. [9]

Преобразование энергии в фотоэлектрические преобразователи основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры фотоэлектрических преобразователях может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Легирование - добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлектрических преобразователях, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Но, для примера, 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 500000 м ². 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.

Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

Оценки эффективности солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новые варианты, новые идеи. Недостатка в них нет [7].

1.3 Энергия приливов

Использование энергии приливов началось уже в ХI в. для работы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира.

Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

Приливные электростанции работают по следующему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В некоторых проектах предусмотрены двух- и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии.

С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих направлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.

При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт[8].

1.4 Термоядерный синтез

Термоядерные реакции, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах. Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и "перестройка" ядер, происходящая при термоядерной реакции. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Термоядерные реакции, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи).

Термоядерная реакция - это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций.

Различают два типа термоядерного реактора. К первому типу относятся термоядерный реактор, которым необходима энергия от внешних источников только для зажигания термоядерных реакций. Далее реакции поддерживаются за счёт энергии, выделяющейся в плазме при термоядерных реакциях; например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры плазмы расходуется энергия б-частиц, образующихся в ходе реакций. В стационарном режиме работы термоядерного реактора энергия, которую несут б-частицы, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. К такому типу термоядерного реактора относится, например, токамак.

К другому типу термоядерного реактора относятся реакторы, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в виде a-частиц, а необходима энергия от внеш. источников. Это происходит в тех реакторах, в которых велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

Термоядерные реактор может быть построен на основе систем с магнитным удержанием плазмы, таких, как токамак, стелларатор, открытая магнитная ловушка и др., или системы с инерционным удержанием плазмы, когда в плазму за короткое время (10-8--10-7 с) вводится энергия, достаточная для возникновения и поддержания реакций термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы может работать в квазистационарном или стационарном режимах. В случае инерционного удержания плазмы термоядерный реактор должен работать в режиме коротких импульсов.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определенного предела, а специально создаваемым магнитным полем. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для сжатия, разогрева, и удержания равновесия плазмы. Этим он, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью магнитных катушек. Но так как нить плазмы являет собой пример нестабильного равновесия, проект токомак пока не реализован и находится на стадии крайне дорогостоящих экспериментов по усложнению установки.

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.[10]

1.5 Энергия вакуума

Прежде чем понять, что собой представляет энергия вакуума, попробуем разобраться с самим вакуумом. Что такое вакуум, и какое место занимает он в нашем мире, можно понять из следующего.

Все знают, что атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Если представить ядро атома в виде макового зернышка, то атом будет размером в несколько десятков метров, но даже при таком увеличении мы не сможем рассмотреть электроны, настолько они малы по сравнению с ядром. В ядре сосредоточена почти вся масса и "вещество" атома.

Что же собой представляет остальное пространство, занимаемое атомом? Это и есть вакуум. Получается, что все, что нас окружает, в том и числе и мы, состоит в основном из вакуума. Само вещество занимает лишь ничтожную часть. Но как трудно себе представить, что все состоит почти из "ничего".

Поэтому физики определяют вакуум, как особый вид материи и называют его "физическим вакуум".

Таким образом "ничего" превращается в "нечто" со своими особыми свойствами. Одним из таких свойств является энергия вакуума.

Если человечество пока добывает энергию из того, что называется веществом, то можно представить себе, сколько можно получить энергии из физического вакуума. Физики Р. Фейнман и Дж. Уиллер представили, и, оказалось, что в вакууме одной электрической лампочки энергии достаточно, чтобы довести до кипения все океаны Земли.

Для получения вакуумной энергии предполагается создавать установки с избыточным энергобалансом. Это значит, что полученная энергия вакуума будет превышать энергию, затраченную на ее производство. [11]

1.6 Состояние вопроса на сегодняшний день

Общество переходит на совершенно другой уровень социального развития, и уже задумывается о том, какие следует использовать источники энергии. Все чаще и чаще люди думают про будущее своей планеты, и поэтому люди понемногу обращаются к альтернативным источникам энергии. Итак, к таким типам относится энергия солнца, ветра, энергия приливов и отливов и т.д. На сегодняшний день в области применения альтернативная энергетика, можно встретить множество решений, с помощью которых энергии, полученной от солнца, ветра достаточно для того, чтобы обеспечить небольшой коттедж или возможно несколько домов.

В связи с постоянным ростом цены на нефть дорожает и электроэнергия, производимая традиционным путем. Это привело к появлению и широкому распространению использования альтернативных источников энергии. Уже сейчас во многих развитых странах наряду с традиционными источниками электроэнергии широко используется энергия ветра, солнца, приливная энергия и другие источники так называемой возобновляемой энергии.

Также альтернативные источники энергии применяются при создании систем резервного энергоснабжения. В этом случае энергосистема подключена к центральной сети, но при отключении последней, энергосистема использует накопленную энергию, полученную с помощью ветрогенераторов, солнечных батарей или других альтернативных источников.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), установленная на открытой местности с высокой среднегодовой скоростью (а для ветрогенераторов умеренной мощности до 1кВт достаточно, чтобы среднегодовая скорость ветра была выше 2.5 -3 м/с) позволяет сэкономить до 700 кВтч энергии каждый месяц. Солнечные батареи также нашли широкое применение в средней полосе и на юге страны. Стоит сказать, что в России и на территории бывшего Советского Союза (Украина, Белоруссия, Казахстан) имеется высокий ресурс ветроэнергетики и солнечной энергетики, чем и обусловлен интерес к ветровой и солнечной энергетике.

В настоящее время уже существует ряд технологий, таких как "Умный дом" или "Нулевой дом", которые опираются на использование альтернативных источников энергии. Идея проста: свободная энергия ветра, воды или солнца в сочетании с энергосберегающими технологиями позволяет обрести независимость от центральной энергосети и не платить за электричество.

При использовании ветряков или солнечных батарей для выработки электроэнергии не происходит выброса парниковых газов, влияющих на глобальное изменение климата. Это позволяет получать дешевую электроэнергию сохраняя нашу планету зеленой [4,С.177-181].

2. Способы производства альтернативной энергии

2.1 Ветровые электростанции

Энергия ветра - технология применения ветра для выработки электроэнергии - представляет собой самый быстрорастущий во всем мире источник электричества. Энергия ветра производится массивными трехлопастными ветротурбинами, устанавливаемыми на самом верху высоких башен и работающими подобно вентиляторам, но в обратном порядке. Вместо того чтобы использовать электричество для получения ветра, турбины используют ветер для получения электричества.

Ветровые установки являются одним из самых перспективных и одновременно экологически чистых способов выработки электроэнергии. Вместе с тем, энергия ветра относится к числу возобновляемых источников энергии. Возобновляемые ресурсы - природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.

В общих чертах, устройство ветровой электростанции выглядит следующим образом. Ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт = 1 миллиону ватт) электроэнергии. В жилых домах, на телекоммуникационных станциях и в водяных насосах в качестве источника энергии применяются небольшие одиночные ветротурбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных районов, в которых отсутствует энергосистемы общего пользования.

В ветровых установках группы турбин связаны вместе с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий.

Страны Евросоюза в 2005 году вырабатывали из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии. В 2006 году ветряные электростанции Германии произвели 30,6 млрд. кВт*ч. электроэнергии, что составляет 7% от всей произведённой в Германии электроэнергии. Около 20% электроэнергии в Дании вырабатывается из ветра. Индия в 2005 году получает из энергии ветра около 3% всей электроэнергии.

Ветровая энергия является наиболее рентабельной из всех альтернативных источников получения электроэнергии и может быть использована практически повсеместно. Наиболее перспективно применение ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. В то же время ветровые электростанции вызывают неприемлемые шумовые эффекты и потому должны располагаться вдали от нас. пунктов. Число ветровых установок в мире составляет ок. 20 тыс. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели. В Сев. Америке мощность ветровых электростанций превысила 2000 МВт, в Зап. Европе - 2300 МВт.

Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60 000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии.

Россия

Установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009г. составляет около 15МВт. Одна из самых больших ветроэлектростанций России мощностью 5,1МВт расположена в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Ее среднегодовая выработка составляет около 6млн.кВт.ч.

Одним из самых мощных ветродизельных комплексов России является "Анадырская" ВЭС. Она была спроектирована в 2001-2002г. и выведена на полную мощность в 2003г. В Республике Коми, вблизи Воркуты, строится "Заполярная" ВЭС мощностью 3 МВт В Калмыкии, в 20км от Элисты, размещена площадка "Калмыцкой" ВЭС с планируемой мощностью 22МВт и годовой выработкой 53млн.кВт*ч. На сегодняшний момент станция находится на этапе строительства.

В Башкортостане установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт.

В Калининградской области, смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет ~5 МВт.

На Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт.

В Мурманске вошла в строй ветроустановка мощностью 200 кВт.

Но совокупная мощность ветроэлектростанций России не превысила в 2004 году 12 МВт.

Российская Федерация - это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических зонах, что определяет высокий потенциал использования ветряных электростанций. Технический потенциал составляет более 6200 миллиардов киловатт часов, или в 6 раз превышает всё современное производство электроэнергии в нашей стране.

Активное развитие ветроэнергетика получила после Чернобыльской аварии. Правительство Германии приняло решение о производстве энергии из возобновляемых источников. Первая правительственная программа поддержки ветроэнергетики под названием "100МВт ветра" появилась в Германии в 1989г.

При полной государственной поддержке в 2002г. установленные мощности германской ветроэнергетики достигли 10 000МВт. На 2008г. в Германии работали 20301 ветровых турбин суммарной мощностью 23902,77МВт. Крупнейшим поставщиком ветрогенераторов в Германии с 61% рынка является Enercon.

Активно идет процесс под названием Repowering - старые ветрогенраторы заменяются на более мощные и менее шумные, что позволяет увеличивать производительность станций при той же занимаемой площади. ВЭУ Германии в 2008г. выработали 14,5% электроэнергии.

Канада

На 2008г. установленные ветроэнергетические мощности Канады составляли порядка 2300МВт и производят около 1% всей электроэнергии страны. Примечательным в ветроэнергетике этой страны следует считать уникальную в своем роде ветроводородную станцию, которая находится в процессе строительства. В ней планируется использовать технологию алкалинового электролиза, что позволит сохранить излишки электроэнергии в периоды минимума нагрузок и максимума выработки в виде произведенного из воды водорода, который можно использовать по мере надобности [12].

2.2 Солнечные электростанции

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 ^оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы "Stirling Technology", "Stirling Thermal Motors" и "Detroit Diesel" совместно с корпорацией "Science Applications International Corporation" создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

"Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Сопоставление технических характеристик

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер "тарелок" позволяет использовать их в небольших установках. Башни и "тарелки" позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

2.3 Приливные электростанции

Приливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.

Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций пренебрежимо мало. Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10?14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2Ч10?5 с в год).

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря. На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО "ЕЭС".

Существуют ПЭС и за рубежом - во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах.

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов [2, C.300-303].

2.4 Термоядерный реактор

Термоядерный реактор - разрабатываемое в 1990-х гг. устройство для получения энергии за счёт реакций синтеза лёгких атомных ядер, происходящих в плазме при очень высоких температурах. Основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций (TP) с избытком компенсировало затраты энергии от внеш. источников на поддержание реакции.

Термоядерный синтез - процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода и тритием с образованием сильно связанных ядер гелия:

Именно названные реакции представляют наибольший интерес для проблемы термоядерного синтеза. В особенности привлекательна вторая реакция, сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со значительной скоростью. Тритий радиоактивен и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства

6Li + n > 3H + 4He.

Вероятность термоядерных реакций быстро возрастает с температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения столкновений атомных. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Удельная мощность термоядерного реактора находится путём умножения числа ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции [1,C. 96-100].

2.5 Способ получения энергии вакуума

Вакуумная система обеспечивает откачку гелия, водорода и примесей из полости дивертора или из окружающего плазму пространства в процессе работы реактора, а также из рабочей камеры в паузах между импульсами. Чтобы откачиваемый тритий не выбрасывался в окружающую среду, в системе необходимо предусмотреть замкнутый контур с минимальным количеством циркулирующего трития. Откачивать газ можно турбомолекулярными насосами, производительность которых должна несколько превышать достигнутую на сегодняшний день. Длительность паузы для подготовки рабочей камеры к следующему импульсу при этом не превышает 30 с.

Оценка перспектив

Во всём мире ведутся разработки в области альтернативной энергетики. Острота данного вопроса обуславливается сокращающимися запасами топливно-энергетических ресурсов и, как следствие, растущими ценами на них. Всё это толкает энергозависимые страны к более интенсивному развитию альтернативных источников энергии.

С каждым годом, доля производства энергии с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ) растёт, так, на сегодняшний день в мировом энергетическом балансе ВИЭ занимают порядка 3,4%, и ежегодно наблюдается устойчивая тенденция к увеличению этой доли. [14]

Ископаемые виды топлива с каждым днем истощаются. По оценкам British Petroleum, в 2056-м закончатся все разведанные на сегодняшний день запасы нефти, к 2077 году не станет урана, к 2079-му будет сожжён последний кубометр газа, а в 2178-м в топке исчезнет последняя лопата каменного угля. Кроме того, усложняются условия добычи ископаемого топлива. Все эти факторы оказывают давление на цены традиционных энергоресурсов (нефти, газа, угля), которые из года в год безудержно растут. И процесс этот, к сожалению, необратимый.

Развитые, а теперь уже и развивающиеся страны осознали, что будущее за альтернативной энергетикой. В 2009-м мировые инвестиции в альтернативную энергетику превысили по объему капиталовложения в традиционную, основанную на сжигании ископаемого топлива. А в 2010-м суммарная мощность введенных в эксплуатацию электростанций на возобновляемых источниках энергии превысила аналогичный показатель для традиционной энергетики.

Солнечная энергетика составила около 22% от общих энергетических мощностей, установленных в ЕС в 2010 году. Международное энергетическое агентство (International Energy Agency) прогнозирует, что к 2050 году фотовольтаика будет обеспечивать 20-25% мирового производства электроэнергии.

...