Перспективные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Перспективные источники энергии

История ветроэнергетики начинается с незапамятных времён: энергия ветра вот уже более 6000 лет надежно и верно служит людям. До изобретения паровой машины основным источником энергии во многих странах была именно энергия ветра. В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. В России ветряные установки использовались в основном для помола зерна. До революции их в стране насчитывалось около 200 000, и перемалывали они более 2 миллиардов пудов зерна в год.

Ветер - неограниченный ресурс для производства электроэнергии. Он есть везде, бесконечен, экологически чист. Если в прошлом энергию ветра использовали, как правило, для повышения эффективности физического труда, то в настоящее время энергию ветра применяют в основном для выработки электроэнергии (ветер вращает лопасти электрогенератора). Непостоянство ветра не является проблемой его использования на локальном уровне (при использовании ветрогенератора в составе гибридной установки и наличия аккумуляторов). Малые ветроустановки обычно используют для автономной работы (например, на отдельном хуторе). Более крупные часто концентрируют на одной площадке, создавая так называемую ветровую ферму. В последние годы ветроэнергетика развивалась более высокими темпами, чем энергетика, использующая остальные виды альтернативных источников энергии. Отсюда и значительный рост мощностей ветроустановок в мире. Объём выработки электроэнергии из ветра в период с 2000 г. по 2006 г. вырос в 4 раза. Темпы роста рынка ветрогенераторов в мире за последние несколько лет составляют 25-30%. На конец 2006 г. суммарная мощность всех ветрогенераторов в мире оценивалась в 74 ГВт. Суммарная мощность всех ветрогенераторов, установленных в 2006 г. составила 15,2 ГВт. Общая стоимость ветрогенераторов, установленных в 2006 г. составила 23 млрд долл. США (или 1500 долл. США за 1 кВт). И хотя энергия ветра составляет лишь около 1% от общей величины выработки электроэнергии в мире, для некоторых стран этот показатель значительно выше. В частности, доля ветряной электроэнергии в Дании составляет 20%, в Испании - 9%, в Германии - 7%. Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных ?. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например - городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

Гидроэнергия

Гидроэнеэргия - энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях ?. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины. Это еще один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту.

В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Малая гидроэнергетика использует энергию небольших водотоков с помощью микро - и малых ГЭС, практически не зависит от погодных условий и способна обеспечить устойчивую подачу дешевой электроэнергии потребителю. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.

Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования «мини-ГЭС» способны конкурировать с «макси» по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом является также возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.

Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива.

Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность, которой ранее зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.

Производство гидроэнергии в мире возрастает за последние годы примерно такими же темпами, как и общее производство электроэнергии. Производство электроэнергии на атомных электростанциях составило в 1962 г. в Западной Европе примерно 0 5%, в США 0 25% всего производства. Геотермическая энергия пока используется в небольших количествах: на ее основе в Италии в 1962 г. выработано 2 3 Твт - ч; имеются небольшие геотермические электростанции в Новозеландии, Исландии, СССР и США ?.

Производство гидроэнергии в рассматриваемые 40 лет, вероятно, увеличится в 2 7 раза, однако ее относительное участие в (Мировом энергобалансе несколько снизится.

Энергия морских волн

Энергия волн - неисчерпаемый источник энергии. Волновая энергия представляет собой сконцентрированную энергию ветра и, в конечном итоге, солнечной энергии. Мощность, полученная от волнения всех океанов планеты, не может быть больше мощности, получаемой от Солнца. Но удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии. Несмотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Выработка электроэнергии с использованием энергии волн не является распространённой практикой, в настоящее время в этой сфере проводятся только экспериментальные исследования.

Общепринятой в настоящее время считается точка зрения, что энергию волн целесообразно использовать в открытом море, а не у берегов, где она снижается вследствие трения и в обратной циркуляции воды. Преобразование энергии морских волн в электрическую производится с помощью воздушных или гидравлических турбин ?.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. В течение многих лет бакены - свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым колебаниям.

Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств.

Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт. В 2002 г. введена в эксплуатацию волновая опытная электростанция в Португалии, которая при воздействии волн высотой до 5 м вырабатывает в год 6-10 млн кВт·ч электроэнергии ?.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Как показывает накопленный мировой опыт, удельные капиталовложения в строительство волновой электростанции достигают $5000/кВт, и вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

Источники энергии будущего

Ядерная энергия

Ядерная энергия - это энергия, освобождающаяся в результате внутренней перестройки атомных ядер. Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию. Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии.

На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы) ?. В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия.

Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

Ядерной энергетике, как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные или опасные факторы воздействия на окружающую среду. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение. Сложные проблемы возникают с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций. Срок их службы около 20 лет, после чего восстановление станций из-за многолетнего воздействия радиации на материалы конструкций невозможно.

Атомные электростанции строятся прежде всего в европейской части страны. Это связано с преимуществами АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе. Ядерные реакторы не потребляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт. Атомные электростанции не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания. Однако размещение АЭС в густонаселенных областях таит в себе потенциальную угрозу.

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляется в атомной бомбе. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими. То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ. При взрыве атомной бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни живых организмов. Атомные бомбы применили США в конце Второй мировой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.

Водород

Использование водорода в качестве источника энергии - очень перспективное направление: двигатели на его основе выделяют вместо выхлопных газов водяной пар, то есть безопасны для окружающей среды. К тому же водород является возобновляемым источником - его можно получать различными способами. Среди самых популярных можно отметить паровую конверсию метана, т.е. получение водорода при нагреве смеси водяного пара и метана. Сегодня промышленное получение водорода связано с выбросами углекислого газа, что усиливает парниковый эффект ?. К технологиям, позволяющим избежать загрязнения окружающей среды, относится получение водорода с помощью различных бактерий. Один из перспективных объектов - пурпурные бактерии Rhodobacter Sphaeroides. Эти бактерии отличаются большим разнообразием метаболических процессов, они могут получать энергию как из органических веществ, так и из солнечного света. При переработке простых органических веществ (глюкозы, лактата, органических кислот) эти бактерии выделяют молекулярный водород.

Уже сегодня существуют различные типы «бактериальных батареек», в которых живые существа вырабатывают электричество, например, питаясь сахарным сиропом. Пока что такие системы могут снабжать энергией в лучшем случае плеер, но если представить, что когда-нибудь ученые создадут двигатель на основе генетически модифицированных бактерий, выделяющих молекулярный водород, сахаром можно будет заправлять и автомобиль.

Солнечная энергия

Солнечная энергетика по многим прогнозам является одной из самых перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Развитие солнечной энергетики также связано с масштабными программами поддержки возобновляемой энергетики, реализуемыми в развитых странах Европы, США, Японии.

Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов, в том числе возобновляемых. Использование всего лишь 0,0125% солнечной энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем. Потенциал солнечной энергии настолько велик, что, по существующим оценкам, солнечной энергии, поступающей на Землю каждую минуту, достаточно для того, чтобы удовлетворить текущие глобальные потребности человечества в энергии в течение года.

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне ?. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200°С на вершине солнечной башни.

В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк ?. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

Исходя из того, что солнечная энергия очень востребована в нынешних условиях, на рынке появляются современные предложения ее использования.

1) Фонарик на солнечных батареях (главной особенностью устройства является возможность зарядки литиевой аккумуляторной батареи при помощи солнечных модулей, вмонтированных непосредственно в сам корпус фонарика).

2) Солнечный генератор (генератор способен вырабатывать 220 В и более).

3) Солнечные фонари для дачи (энергия, получаемая от батарей идет исключительно на освещение, а не на нагрев спиралей; осветительный период может длиться несколько десятков часов).

4) Уличные светильники на солнечных батареях (очень продолжительный строк эксплуатации - до 25 лет).

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.

Энергосберегающие технологии

Биомасса

Биомасса - шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа.

Биомасса - пятый по производительности возобновимй источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд. т. первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается. Основная часть топливной биомассы (до 80%), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.

В процессе фотосинтеза в растениях появляются углеводороды: сахар и крахмал. Углеводороды - органические компоненты, получаемые из угля и водорода. Эти компоненты хранят энергию в связях, удерживающих их. Хранимая энергия испускается, когда растения съедают или, что нам важнее, когда растения закапывают. Кислород в воздухе вступает в реакцию с углеродом в растениях, при этом выделяется энергия, вода, и диоксид углерода (CO2) ?. Эта энергия используется для превращения воды в пар. Пар вращает турбины, вырабатывающие электричество.

Биогаз

Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий - метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Биогазовые установки оснащены блочными теплоэлектроцентралями, которые производят тепловую и электрическую энергию. Эти приборы очень просты в эксплуатации и не требуют частого ремонта. Для того, чтобы назвать такую установку качественной, необходимо, чтобы в ее состав входило немало элементов: реактор, мешалки, газгольдер, газовая система, насосная станция, сепаратор, емкость гомогенизации, загрузчик твердого или мягкого сырья, приборы контроля, система безопасности, КИПиА с визуализацией ?. В целом, можно сказать, что биогазовое устройство - это приспособление, которое осуществляет переработку органических отходов (сырья) в биогаз.

Энергия, бесспорно, играет огромную роль в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. Потребление энергии - важный показатель жизненного уровня. За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник бал исчерпан.

Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего, это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость: создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т.д., В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию. 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. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, - это всего лишь наиболее яркие штрихи. Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Как говорил один ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть только разумный выбор».

Список литературы

энергия ядерный водородный солнечный

1) Мякишев Г.Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.В. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

2) Петросова Р.А. и др. Естествознание и основы экологии. (Учебное пособие) (2007, 303 с.).

3) Концепции современного естествознания. Под ред. Михайлова Л.А. (2008, 336 с.)

4) Клягин Н.В. Современная научная картина мира. (Учебное пособие) (2007, 265 с.).

5) Исаков А.Я. Энергия. (Учебное пособие) В 3-х частях. (2009, 206 с.; 2010, 254 с.; 2010, 259 с.).

6) Эволюция жизни. Иорданский Н.Н. (2001, 425). М.: Академия, 2009.

7) Стародубцев В.А. Концепции современного естествознания. Томск.: Том. политех. ун-т, 2009. - 390 с.

8) А.П. Кузнецов и др. Анализ в физике. 2008 год. 85 стр.

9) Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 класс. 2008 год. 373 стр.

10) Алиев И.И. Абрамов М.Б. Электрические аппараты, справочник. 2007

год. 241 стр.

11) Головацкий В.Г. Пономарев И.В. Современные средства РЗиА

энергосетей. 2007 год.

12) Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная автоматика и

релейная защита электроэнергетических систем. Изд. М.: ИД МЭИ.

2010 год. 336 стр.

13) Ресурсы интернета:

http://www.students.ru, http://ru.wikipediа.

Размещено на Allbest.ru