Альтернативные источники электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей удивительно длинен, а их количества чрезвычайно огромны.

Человек, безусловно, оказывает влияние на окружающую его среду, однако в природе существуют естественные уравновешивающие механизмы, которые поддерживают среду и обитающие в ней сообщества в состоянии равновесия, когда все изменения происходят достаточно медленно. Тем не менее во многих случаях хозяйственная деятельность человека нарушает равновесие, создаваемое этими механизмами, что приводит к быстрым изменениям условий окружающей среды, с которыми ни человек, ни природа не могут успешно справиться. Традиционное производство энергии, дающее огромные количества загрязнителей воды и воздуха, - один из видов такой деятельности человека.

1. Солнечная энергия

Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет "гореть" еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

Посчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, вне зависимости от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и пасмурные дни. Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и дорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.

1.1 Центральные солнечные электростанции

Энергетическая башня. Древняя легенда повествует, что Архимед спас свой родной город Сиракузы с помощью солнечной энергии. Приказав тысяче солдат повернуть свои щиты к солнцу и выстроив их в линию в форме параболы, Архимед сфокусировал отраженные солнечные лучи на парусах кораблей вторгшегося флота и сжег их. Это и есть принцип действия энергетической башни: лучи солнца концентрируются в одном пункте соответственно расположенными зеркалами. Эти зеркала (гелиостаты) поворачиваются на протяжении дня, чтобы следовать за солнцем в его небесном пути. Они отражают солнечные лучи и фокусируют их на энергетической башне, где огромная концентрация энергии заставляет воду кипеть и превращаться в пар. Пар по трубам поступает в турбину на Землю, вращает ее и вырабатывает электричество.

Солнечные пруды. Солнечные пруды - еще более дешевый способ улавливать солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Иными словами, в солнечных прудах используется тот же принцип, что и в парниках, только земля и стекло заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электричества; им нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводит в движение турбогенераторы низкого давления. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них нужны большие площади, причем относительно недалеко (в пределах 80 км) от потребителя. Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Правда, со временем могут появиться сверхпроводящие линии электропередач, которые решат проблему, однако в ближайшем будущем строительство энергобашен и солнечных прудов ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных свободных территорий. С другой стороны, солнечные батареи можно размещать на крышах зданий.

Перспективы солнечной энергетики.

Использование солнечной энергии может быть полезно в нескольких отношениях. Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливом.

2. Энергия воды

2.1 Энергия приливов

В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также заключена огромная энергия.

Приливы - это результат гравитационного притяжения больших масс воды океанов со стороны Луны и, в меньшей степени, Солнца. При вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда "горб" подъема воды достигает суши, как это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает прилив.

На реке построена плотина для задержки вод высокого прилива. Когда приливные воды отступают, задержанная плотиной вода выпускается в океан через грушевидные турбины под плотиной и вырабатывается электроэнергия. Однако можно вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе.

Приливная волна задерживается позади плотины в результате открытия ряда донных затворов, что позволяет ей двигаться вверх по реке в направлении истока. Затворы закрывают тогда, когда прилив достигает наивысшего уровня, а затем, по мере отлива, воде, запертой за плотиной, позволяют стекать к морю через турбины. При низком уровне воды, т. е. при отливе, большая часть этой воды спускается. Когда приливные воды снова наступают, они оказываются перед закрытыми затворами, и уровень воды со стороны моря превышает ее уровень на стороне плотины, обращенной к суше. После того как будет достигнут достаточный напор, воде позволяют течь вверх по реке, проходя через турбины, и снова вырабатывать электричество. Таким образом, энергия вырабатывается за счет отлива, и за счет прилива.

Из-за огромной стоимости этих сооружений правительства не расположены, вкладывать средства в приливную энергию. Такие станции стоят в 2,5 раза больше оценочной стоимости речной гидростанции с такой же средней выработкой энергии прежде всего из-за дополнительной стоимости защитных перемычек впереди и позади объекта. Но как только первоначальные инвестиции сделаны, выработка энергии уже не требует никакого топлива. Необходимо только техническое обслуживание системы, и поэтому стоимость энергии остается низкой.

Места, где приливы могли бы быть использованы для выработки электроэнергии, имеются во всем мире.

Помимо стоимости сооружения станции, у приливной энергии есть и другие отрицательные стороны. Если приливная станция находится далеко от ближайшего крупного центра использования энергии, потребуются длинные и дорогие линии электропередачи. С другой стороны, такая передача на большие расстояния становится все более обычной по мере создания новых и более эффективных линий.

И наконец, следует упомянуть еще одну отрицательную черту приливной энергии - то, что ее выработка непостоянна. Это легко понять, если на минуту задуматься о ее природе. При обычной эксплуатации приливной энергии электричество вырабатывается только в начале отлива, т. е. тогда, когда уровень воды, запасенной в бассейне, в достаточной мере превышает ее уровень в море. По мере снижения уровня воды в бассейне выработка электроэнергии уменьшается и около нижней точки отлива падает до нуля, поскольку разность уровней исчезает.

2.2 Биологические и физические последствия постройки приливных электростанций

Физические последствия. Когда мы смотрим на приливы с их устрашающей энергией, нам следует подумать о воздействии на окружающую среду приливных бассейнов. Сосредоточимся на физических изменениях, которые могут произойти с морской стороны приливной электростанции

Амплитуда прилива может увеличиваться всего лишь на 30 см, но даже такое небольшое изменение чревато серьезными последствиями. Поступающие приливные воды могут подняться на 15 см, а это способно привести к вторжению морской воды в прибрежные колодцы и создать угрозу для строений, расположенных вблизи верхней отметки прилива. Возможно ускорение береговой эрозии, а низинные участки, включая дороги, будут затопляться, когда штормы и увеличившиеся приливы объединят усилия. Береговая полоса будет практически непригодна для использования из-за более высоких приливов. Оценки площади береговой полосы, которая может быть потеряна из-за приливного затопления, колеблются от 17 до 40 квадратных километров. Конечно, местные потери зависят от крутизны склона и характера берега. Отлив, который может оказаться ниже на 15 см, способен затруднить доступ к лодкам и к воде с причалов. Увеличенная высота прилива может вызвать поступление более соленой воды в устья рек и этим изменить соотношение обитающих там водных организмов.

Более быстрые течения затруднят обособление нефтяных пятен, но вместе с тем они же будут быстрее разгонять нефть.

Биологические последствия. Постройка крупной приливной электростанции может привести не только к местным биологическим последствиям. В бассейне позади приливной станции будет оказывать воздействие на важное биологическое пространство вдоль побережья океана. Эта полоса, называемая приливной зоной простирается от точки наивысшего прилива (или брызг от приливных волн) до нижней точки, обнажающейся при отливе. (Обе эти границы несколько смещаются со сменой времен года.)

В воде приливной зоны имеется фитопланктон. Это диатомовые водоросли, перидинеи; они приносятся и уносятся с водой приливов.

Приливная энергия способна изменить относительный баланс между видами, составляющими сообщества приливной зоны. Нам совсем не ясно, как личиночные стадии морских видов смогут переносить проход через турбину. Появление приливной электростанции может не только повлиять на местные сообщества, но и причинить вред мигрирующим видам. Проход через турбины электростанции вряд ли принесет этим видам пользу. Для перекрытия входа могут быть использованы сетки, но годность лестничных рыбоходов в качестве обходного пути все еще остается под вопросом. Перелетные птицы, кормящиеся на соленых маршах, такие, как песочники и ржанки, вероятно, будут находить меньше пищи в приливном бассейна позади электростанции из-за гибели организмов при проходе через турбину. Всё это локальные последствия, но область их влияния может оказать более обширной.

3. Энергия ветра

Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряки можно строить на побережьях черного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье или на юге Западной Сибири, в Центральном Черноземном районе. Но самой большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова. В нынешнюю эпоху высоких цен на топливо можно думать, что ветродвигатели окажутся конкурентоспособными по стоимости и смогут участвовать в удовлетворении энергетических нужд страны.

3.1 Конструкция ветродвигателей

Ветродвигатель вырабатывает энергию, когда ветер давит на его лопасти. Чем длиннее лопасть, тем больше ветровой энергии она может перехватить. Точно также, чем больше скорость ветра, тем больше его давление на лопасти и тем больше количество перехватываемой энергии.

Выход энергии не находится в линейной зависимости от длины лопасти и от скорости ветра: он растет пропорционально квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра.

Обратим внимание на то, что при скорости ветра 33 километра в час удлинение лопасти в 4 раза (с15 до 60 м) увеличивает выработку энергии в 16 раз. Заметим также, что при длине лопасти 30 м ветер со скоростью 50 километров в час обеспечивает выработку электроэнергии, в 26 раз большую, чем ветер со скоростью 17 километров в час. Именно поэтому инженеры склоняются в пользу крупных ветродвигателей и стремятся перехватить ветер на большой высоте.

Большинство крупных ветродвигателей, сооружаемых сейчас или уже действующих, рассчитано на работу при скоростях ветра 17 - 58 километров в час. Ветер со скоростью меньше 17 километров в час дает мало полезной энергии, а при скоростях более 58 километров в час возможно повреждение двигателя.

Ветродвигатели не следует рассчитывать на перехват штормовых ветров. Кроме того, продолжительность времени, когда дуют штормовые ветры, настолько мала, что вклад штормовых ветров в суммарную выработку энергии ничтожен, и это делает подобный риск бессмысленным. Чтобы устранить проблему штормовых ветров, лопасти ветродвигателей изгибают так, чтобы они были слегка повернуты в одну сторону для уменьшения напора ветра; благодаря этому полные удары сильных порывов не повреждают пропеллер. Другие проблемы в конструкции ветродвигателей обусловлены просто природой системы, необходимой для перехватки энергии ветра. Двигатели обычно устанавливают на высоких башнях, чтобы лопасти были открыты более сильным ветрам, дующим на большой высоте. Ближе к поверхности дома, деревья, небольшие холмы и т. п. Сдерживают и ослабляют ветер. Поэтому нужны высокие мачты. Однако тяжелое оборудование - пропеллер, коробка передач и генератор - должно размещаться на верхушке мачты, и это требует прочной конструкции.

Еще одну проблему использования энергии от ветродвигателя создает природа самого ветра. Скорость ветра варьирует в широких пределах - от легкого дуновения до мощных порывов; в связи с этим меняется и число оборотов генератора в секунду. Для устранения этого переменный ток, вырабатываемый при вращении оси, выпрямляют, т. е. преобразуют в постоянный, идущий в одном направлении.

При больших размерах ветродвигателя этот постоянный ток поступает в электронный преобразователь, который производит стабильный переменный ток, пригодный для подачи в энергетическую систему. Небольшие ветродвигатели вроде тех, что используют на изолированных фермах или на морских островах, подает выпрямленный ток в большие аккумуляторный батареи вместо преобразователя. Аккумуляторные батареи совершенно необходимы для запасания электроэнергии на периоды, когда ветер слишком слаб для выработки какой-либо энергии.

Более трудна проблема регулирования всей системы электростанций. Также как на приливных станций, здесь бывают периоды, когда генераторы вырабатывают мало энергии или совсем ее не производят. В такое время необходимо где-то увеличить выработку тока обычной электростанцией, чтобы покрыть потребность в нем.

3.2 Биоэнергетика (электроэнергетика)

Биоэнергетика -- производство энергии из биотоплива различных видов. Название данной отрасли произошло от английского слова bioenergy, которое давно используется как энергетический термин. Биоэнергетикой считается производство энергии как из твердых видов биотоплива (щепа, гранулы (пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., брикеты), так и биогаза, и жидкого биотоплива различного происхождения.

Понятие "биоэнергетика" применяется как в электроэнергетике, так и в теплоэнергетике и совместном производстве тепла и электричества.

В России понятие "биоэнергетика" в энергетическом смысле стали использовать с появлением первых биотопливных предприятий, ориентированных на экспорт биотоплива в Европейский Союз. Именно там биотопливо используется на тепло-электростанциях для получения тепла и электричества. В России существует несколько проектов производства тепла и электричества из биотоплива (ТЭС), однако мощности этих энергоустановок невелики и не сравнимы с мощностями атомной индустрии.

Ряд областей наращивают объемы производства биотоплива и переводят котельные на биотопливо. Например, Вологодская область намерена полностью использовать биотопливо в котельных региона в ближайшее время. Здесь также есть проекты по биоэнергетике для получения тепла и электричества[1].

В настоящее время технологии переработки биологического сырья нашли широкое применение для решения проблемы экологически безопасной утилизации органических отходов, уменьшения загрязнения окружающей среды, а также получения альтернативной энергии. Одна из основных тенденций развития агропромышленных регионов заключается в поиске наилучших доступных технологий переработки органических отходов с использованием комплексных технологий утилизации биомассы за счет метанового сбраживания с получением биогаза.

3.3 Проблемы окружающей среды

электроэнергия экология биологический

Вызывает ли ветровая энергетика загрязнение воздуха? Нет. Требует ли она воды для охлаждения и не вызывает ли теплового загрязнения? Нет. Потребляет ли она топливо? Нет. Но она производит шум, требует земельной площади и материалов для конструкций. Она также оказывает визуальное воздействие, но опоры линий дальней электропередачи имеют высоту, близкую к высоте самого ветродвигателя из числа ныне разрабатываемых, а градирни бывают еще выше.

Имеется еще один вид воздействия ветровой энергетики. Большие ветродвигатели вращаются со скоростью около 30 оборотов в секунду. Это близко к частоте синхронизации телевидения. Поэтому крупные ветродвигатели могут мешать приему передач на расстоянии до 1,6

км. При использовании лопастей из стекловолокна, которые оказались дешевле металлических, расстояние помех уменьшается примерно вдвое. Но так дело обстоит лишь с большими ветродвигателями, и можно ожидать, что это не будет проблемой для меньших двигателей.

Лопасти ветродвигателей могут убить птиц, но трудно предсказать, в каких масштабах это будет происходить.

Несомненно, какой-то ущерб окружающей среде может наноситься также добычей руды, изготовлением аккумуляторных батарей и гораздо большим количеством проводов и линий передачи, необходимых для сбора электроэнергии от многочисленных ее источников. Но в целом, если мы учтем все затраты на охрану среды, они окажутся очень малыми.

Итак, обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся ветротурбины и солнечные батареи. Если добавить к этому энергосбережение, есть надежда на решение встающих энергетических проблем; таким образом, строительство новых атомных и тепловых электростанций вовсе не обязательно. Однако их придется еще какое-то время сохранить в качестве резервных для стабильного энергообеспечения. Что же касается отдаленного будущего, то в первую очередь следует разрабатывать системы запасания энергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми станциями.

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны. К сожалению, они никак не решают проблему сокращения запасов сырой нефти, которая по-прежнему необходима для транспорта.

Пассивные солнечные нагревательные системы весьма рентабельны, и имеет смысл включать их в проекты всех новых зданий. Однако, пока еще существующие и используемые здания не изменятся, потребление традиционных энергоресурсов не снизится; в лучшем случае замедлится его рост. Действительно сократить их использование могло бы повсеместное улучшение теплоизоляции зданий и установка в низ "задним числом" солнечных систем отопления и водонагрева. В таком случае появится возможность перебросить часть мазута, потребляемого в бытовых целях, на нужды транспорта. Однако в самом благоприятном случае проблемы будущего дефицита сырой нефти, необходимой для производства, автомобильного горючего.

Поэтому нужно сосредоточить основное внимание на транспортном секторе.

Что Вы можете сделать?

Хорошо информированные и активные граждане могут многое сделать для поддержки и развития более сбалансированной и экологически устойчивой политики. Кроме того, необходимо писать в соответствующие органы, требуя, чтобы они поддержали следующие мероприятия:

финансирование в первую очередь не ядерной энергетики, а исследований и технических разработок в области использования солнечной энергии для получения водорода, дешевого производства солнечных батарей и легких, недорогих аккумуляторов с высокой емкостью;

перераспределение ассигнований идущих на прокладку автострад (только стимулирующих потребление топлива), на строительство рельсовых электротранспортных систем;

возобновление экономического стимулирования энергосбережения и использования солнечных нагревательных систем; вкладывая деньги в эти перспективные направления, мы в конечном счете добьемся большей экономической и политической безопасности, чем тратя средства на охрану танкеров с нефтью.

Заметьте, что ни одно из этих мероприятий не требует дополнительных расходов; речь идет только о смене приоритетов, которая могла бы привести нас к устойчивому обществу.

Изучайте и применяйте на практике любые средства, позволяющие экономить в Вашем собственном доме (разумеется, не приводящие к дискомфорту), улучшая его теплоизоляцию и внедряя, где это только возможно, солнечные системы отопления и горячего водоснабжения.

Наконец, чтобы защитить себя в будущем нефтяных кризисов, постарайтесь поселиться в таком месте, где пользоваться автомобилем необязательно.

Я выбрала эту тему, так как она кажется, на мой взгляд, очень интересной. Я считаю, что за альтернативными источниками энергии стоит будущее. А уже сейчас мы должны думать, какую планету мы оставим своим потомкам. Я не думаю, чтобы людям на Земле было все равно в какой среде будут расти их дети и внуки. Так объединим же усилия для борьбы за чистую планету, за чистый воздух, за чистую воду!

Размещено на Allbest.ru