Альтернативные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные источники энергии

Содержание

Введение

1. Солнечная энергия

2. Энергия ветра

3. Энергия приливов

4. Геотермальная энергия

5. Энергия течений

6. Морские водоросли как источник энергии

7. Энергия волн

8. Водород - топливо будущего

9. "Экомобиль" - воздух вместо бензина

Выводы

Приложения

Введение

Один из главных вопросов, который решают ученые в современных условиях, - сколько человечеству нужно энергии? Сколько энергии нужно произвести, чтобы жить в теплых и удобных квартирах, чтобы создавать необходимые изделия, пользоваться транспортом, чтобы готовить пищу, чтобы развлекаться?

И тут, непременно, возникают проблемы, над которыми мы, к сожалению, только начали задумываться. Все традиционные источники энергии относятся к исчерпаемым, невозобновляемым, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI века человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтернативным источникам энергии. Известно, например, что в сегодняшнем энергобалансе львиная доля принадлежит ископаемому топливу и биомассе. При получении энергии осуществляется в том или ином виде сжигание различных видов топлива - нефти, газа, угля, дерева. При нынешней ситуации запасов угля хватит, примерно, на 145 лет, нефти - на 88 лет, газа - на 64 года. Об этом говорят расчеты, которые можно обозначить, как запасы/добыча. При сжигании органического топлива происходит выделение больших количеств углекислого газа. Накопление его в атмосфере может привести к так называемому парниковому эффекту (углекислый газ пропускает солнечное тепло к поверхности Земли, но препятствует его излучению в космическое пространство). Уже сейчас это явление начинает ощущаться в масштабах всей планеты: растет средняя температура воздуха, содержание в нем влаги. Последствия этого явления могут оказаться катастрофическими. Если, например, средняя температура воздуха на планете возрастет, скажем, на три градуса, это может привести к экологической катастрофе. Начнется интенсивное таяние льдов в полярных областях, повышение уровня Мирового океана, будут происходить катастрофические наводнения и затопления огромных прибрежных территорий, возникновение новых пустынь. Кроме парникового эффекта, непрерывно дымящие трубы тепловых электростанций и других энергетических источников могут принести и другие неприятности. Сколь бы ни были совершенны фильтры, улавливающие твердые частицы не полностью сгоревшего топлива, огромное количество их вместе с дымом попадает в атмосферу. В этих частицах содержатся различные вредные, в том числе вызывающие рак и другие болезни, вещества. Возрастание этих выбросов втрое, несомненно, поставит под угрозу здоровье миллионов людей.

Понятно, что в этих условиях взгляды ученых все чаще обращаются к источникам энергии экологически чистым, не вредящим природе и человеку. В мире уже бурно развивается использование альтернативных существующим - возобновляемых, нетрадиционных и экологически чистых источников энергии. Речь идет о давно известной человечеству энергии ветра, приливов, морских течений и волнений, тепла Земли, наконец, к прямому использованию солнечной энергии. Пока доля этих источников в общем энергобалансе невелика, не более процента. Но они крайне привлекательны для энергетиков. Во-первых, эти источники нескончаемы. Всегда будут дуть ветры, всегда будет светить Солнце, всегда будет в движении Мировой океан, покрывающий значительную долю поверхности нашей планеты. И, во-вторых, их использование не приводит ни к каким нежелательным для природы и человека последствиям. Вот почему доля этих источников в энергопотреблении будет постоянно возрастать, а сравнительная стоимость производства энергии этими способами будет неуклонно снижаться.

В общем, на пути решения энергоснабжения мы можем найти весьма богатые энергетические источники.

Но все же традиционные методы получения энергии в ближайшее время будут занимать основное место в энергетическом балансе. Поэтому задача ученых - усовершенствование этих традиционных технологий, превращение их в экологически более чистые, экономичные.

Цель работы.

Рассмотреть, какие источники энергии позволят человечеству выйти из энергетического кризиса и сохранить запасы углеводородного топлива на планете.

Задача работы.

Рассмотреть нетрадиционные источники энергии, в том числе топливо будущего - водород.

1. Солнечная энергия

Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света "вышибают" из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физико-техническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.

Мы все воспринимаем Солнце как должное. Постоянно и неукоснительно оно встает утром и садится вечером. По сравнению с возрастом человечества Солнце существует вечно, давая Земле свою животворную энергию. Солнце - это специфический гидродинамический объект диаметром 1 390 000 км, который образовался из облака газа, в основном водорода. Температура его недр настолько высока, что обеспечивает синтез водорода и гелия. Этот синтез, происходящий в недрах Солнца, высвобождает энергию в виде высокочастотного электромагнитного излучения, которое, переизлучаясь, постепенно доходит до его поверхности. Излучение, которое достигает в конечном итоге Земли, исходит из тонкого поверхностного слоя Солнца, довольно плохо пропускающего видимый свет и называемого фотосферой. Энергетическая отдача Солнца равнозначна сжиганию или превращению в энергию массы в количестве 4,2Х106 т. в секунду. Учитывая, что общая масса Солнца составляет 22Х1026 т, легко подсчитать, что Солнце будет продолжать выделять энергию еще в течение 2000 млрд. лет. Электромагнитное излучение фотосферы Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью света (300 000 км/с) в виде расходящихся лучей. Земля, находящаяся на расстоянии 150 млн. км, получает приблизительно 2 миллиардные доли общего излучения Солнца. Общее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю ту энергию, в 35 000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире.

Энергия солнца может использоваться для решения множества задач. Одна из них - это преобразование солнечной энергии в электрическую, в так называемое солнечное электричество, изучение которого превратилось в отдельное научное направление - фотовольтаику. Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и экономически передовые государства в своих национальных программах уже стимулируют массовое применение солнечных батарей.

На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМО) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60° соответственно. При этом полная мощность излучения - соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце - под углом 45° к горизонту).



Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

В качестве материала для производства солнечных элементов сегодня используется кремний - второй по распространенности на Земле после кислорода элемент. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры. Минус в том, что встречается он в виде окиси - SiO2. Это тот самый песок, которым наполняют детские песочницы и используют при замешивании цементного раствора. Извлечь из него чистый кремний весьма сложно. Настолько сложно, что стоимость силициума, так химики называют кремний, в котором не более 1 грамма примесей на 10 килограммов продукта, сопоставима со стоимостью обогащенного урана, используемого на атомных электростанциях. 3апасы кремния превышают запасы урана почти в 100 000 раз. Однако хорошего "солнечного" вещества человечество добывает в шесть раз меньше, чем хорошего атомного урана.

Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии, Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.

По строению солнечный элемент похож на бутерброд, состоящий из двух полупроводниковых пластинок. В наружной n-пластинке - переизбыток электронов. Во внутренней р-пластинке - их недостаток. Фотон, попадая в n-пластинку, пробуждает дремлющий в ней электрон примерно так же, как луч света, попадая на лицо, пробуждает спящего человека. Электрон переходит в р-пластину - это движение и создает электрический ток. Будущее солнечной энергетики эксперты связывают с совершенствованием материалов для этих двух слоев. Наиболее перспективными сегодня представляются аморфный и микрокристаллический кремний, который выведет создание солнечных элементов на принципиально иной уровень. (рис. 2)

Рис.2 Конструкция солнечного элемента

Преобразование солнечной энергии в электрическую имеет массу достоинств. Прежде всего, это 100% надежность. Солнце от нас никуда не денется по прогнозам ученых еще несколько миллионов лет. Это чистый и соответственно безопасный для здоровья источник энергии.

Но существуют проблемы. Первая - это хранение энергии. Производить энергию такая "гигастанция" сможет только днем, а человечеству она нужна круглые сутки. 3начит, на ночь ее дневные излишки нужно в чем-то запасать. В аккумуляторах, в гигантских конденсаторах, в супермаховиках. Такие "энергохранилища" будут стоить не намного дешевле, чем сама СЭС. Второе - изменение климата, конечно, не на всей планете, а в месте постройки. Если раньше солнечная энергия в этих местах шла на нагрев почвы и воздуха, то теперь ее часть пойдет на получение электричества. Температура в районе электростанции, а 40 000 км2 - это немало, практически Московская область, - несколько упадет. В ее центре появится то, что климатологи называют "бароцентром" - область постоянного пониженного давления, в которой обычно формируются мощные циклоны. Циклоны эти будут окроплять территорию электростанции и прилегающие районы дождями, а небо над нашими батареями заволокут грозовые тучи. Соответственно, и выработка энергии уменьшится в десятки раз. Обе эти глобальные проблемы имеют одно простое решение. А именно, надо строить не одну электростанцию на 40 000 км2, а 400 электростанций по 100 км2. И располагать их по земному экватору в наиболее солнечных районах (ученые говорят - в районах с наиболее высокой соляризацией), объединив в единую сеть. В то время, пока одни станции будут отдыхать на ночной стороне Земли, другие, противоположные, - поставлять энергию. Каких-то особых погодных отклонений в пятачках 10х10 км происходить не должно. Но лучше всего было бы построить даже не 400 крупных электростанций, а несколько десятков крупных и много-много мелких, скажем, размером 10х10 м. И это предложение вполне реализуемое. Но об этом - чуть ниже.

Вообще-то, в солнечной энергетике свет клином на кремниевых элементах не сошелся. Способов преобразования энергии Солнца в электрическую существует множество. Использование солнечных батарей, то есть фотоэлектрических преобразователей, - лишь один из них. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, - долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет, примерно, 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.

Основными странами-потребителями солнечной энергии являются Швеция, Дания, Германия, Австрия, Израиль. Суммарная площадь электростанций составляет уже более 8 миллионов квадратных метров.

Хотя не в любом районе земного шара можно строить СЭС, таковым является, например, Удомельский район. Достаточно посмотреть данные метеостанции в Удомельском районе.

Интересный факт

Недавно космическую задумку (СВЧ-луч, тот же принцип, что и у микроволновой печи) воскресил профессор Института космических систем (Хьюстон, США) доктор Дэвид Крисвелл. Правда, в его проектах она приобрела несколько иные черты. Главное отличие состоит в том, что Крисвелл предложил разместить солнечные электростанции не в открытом космосе, а на поверхности нашего верного спутника - Луне. При этом исчезает опасность, что они когда-нибудь упадут на Землю или улетят в неизвестность, сбитые метеоритом. Производить элементы можно прямо на месте из подручного сырья, построив небольшой заводик, - на Луне кремния тоже более чем достаточно. Доставка энергии на Землю будет осуществляться при помощи СВЧ-луча.

В данное время преобладает использование тепловых коллекторов, в связи с доступностью по цене. Но получение электроэнергии намного заманчивее, чем получение тепла. Наука не стоит на месте и в ближайшем будущем стоит ждать новые разработки в этом направлении. Они снизят затраты на производство солнечного электричества и обеспечат человечество дешевой и безопасной энергией.

2. Энергия ветра

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем.

Использование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразования энергии ветра в электричество возникла в конце Х1Х века.

В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт была построена в 1931 году у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт/час. В 1942 году станция была разрушена.

В период энергетического кризиса 70-х годов интерес к использованию энергии ветра возрос. Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана. Океанские ВЭС способны вырабатывать энергии больше, чем расположенные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные.

Строительство ВЭС малой мощности, от сотен ватт до десятков киловатт, для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опреснителей морской воды считается выгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с. Возведение ВЭС большой мощности, от сотен киловатт до сотен мегаватт, для передачи электроэнергии в энергосистему страны оправдано там, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-6 м/с. Мощность, которую можно получить с 1 кв/м поперечного сечения воздушного потока, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Так, в Дании - одной из ведущих стран мира в области ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общей мощностью 200 МВт.

На тихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость ветра 13 м/с и больше наблюдается в продолжение более 5 тыс./ч в году, работает уже несколько тысяч ветровых установок большой мощности. ВЭС различной мощности действуют в Норвегии, Нидерландах, Швеции, Италии, Китае, России и других странах.

Еще в конце ХIХ века ветряной электродвигатель использовался Ф. Нансеном на судне "Фрам" для обеспечения участников полярной экспедиции светом и теплом во время дрейфа во льдах.

В Дании, на полуострове Ютландия, в бухте Эбельтофт с 1985 года действуют шестнадцать ВЭС мощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощностью 100 кВт. Ежегодно они вырабатывают 2800-3000 МВт/ч.

В последнее время ветроэнергетика получила большое развитие. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Во многих странах возникла новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа. Например, в Дании 13% электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Половина ветровых турбин изготавливается именно в этой стране, отсюда их развозят по всему свету.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Если брать наш район, то средняя скорость ветра равна 3,7 м/с

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 3. Они делятся на две группы:

Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения - крыльчатые (2-5)

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения - карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Рис.3 Типы ветродвигателей

Крыльчатые

Рис. 4 Традиционный крыльчатый ветродвигатель

Традиционная компоновка ветряков - с горизонтальной осью вращения (рис.4) - неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор (приложение 2).

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству лопастей, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные и Ортогональные

Отбор мощности для ортогональных ветродвигателей начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Он наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (рис. 3. - 6). Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы.

Обнаружен ряд отрицательных явлений, связанных с реально работающими ветроагрегатами. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создать мощные звуковые колебания.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата (приложение 1).

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

3. Энергия приливов

Для производства электричества научились использовать и энергию приливов, хотя с этим связаны многие технические проблемы.

Использование энергии приливов началось уже в 11 веке 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.

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.

4. Геотермальная энергия

Заманчивые перспективы использования энергии, находящейся буквально под ногами, уже давно привлекают внимание. К сожалению, людям еще не удалось достаточно глубоко проникнуть в недра Земли, чтобы досконально изучить процессы, протекающие в ее глубинах. Известно лишь, что в центре Земли находится расплавленное ядро, имеющее температуру в несколько тысяч градусов. Тепловой поток, идущий от ядра к поверхности, прогревает Землю насквозь. Только плохая теплопроводность пород, слагающих земную кору, обеспечивает приемлемую для людей температуру земной поверхности. С углублением температура неуклонно растет. Для большинства мест на Земле геотермическая ступень - глубина, при которой температура повышается на один градус,- составляет около 30 метров. Но имеются области, где эта ступень составляет 2-3 метра, а иногда - даже полметра. Эти-то области и избрали для своих изысканий специалисты по использованию внутриземного тепла.

Обратимся к фактам. Огромное озеро горячей воды, площадью более 400 квадратных километров, обнаружили геологи неглубоко под землей в Дагестане. Горячая вода сразу пошла в дело - она обогревает квартиры и теплицы, обеспечивает горячее водоснабжение. Уже 350 тысяч человек по утрам умываются подземной горячей водой.

Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины - 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

Вода превращается в перегретый пар, который сквозь растрескавшуюся вблизи вулкана землю выходит на поверхность, создавая паровые фонтаны, в изобилии разбросанные по равнине. Пар из этих фонтанов обычно непригоден для производства электроэнергии. Поэтому геологи бурят специальные скважины, по которым пар поступит к турбинам будущей электростанции. Наиболее удачные из этих скважин, добравшихся до больших глубин, дают пара столько же, сколько хороший паровой котел - до 80 тонн в час с температурой 230° С.

Таких мест на земле, где расположены глубинные источники перегретого пара, очень немного, все они наперечет. Значительно больше источников, в которых вода нагрета до гораздо более низких температур. Их тоже не обошли вниманием ученые в поисках новых источников энергии, хотя эксперименты по использованию низкотемпературных подземных вод еще не вышли из начальной стадии.

Препятствием для широкого развития таких станций может стать низкая теплопроводность горных пород, которая не позволит снять со стенок скважины достаточное количество тепла. Поэтому ученые изучают возможность провести в основании скважины взрыв (возможно, даже ядерный!), который создал бы многочисленные трещины и полости. С разветвленной поверхности искусственной пещеры можно было бы получить гораздо больше тепловой энергии.

Существуют еще более дерзкие проекты - добраться до раскаленной до тысячи градусов магмы, в которой как бы плавает земная кора. Направленная в скважины вода мгновенно превратится в пар, который сможет вращать турбины колоссальной мощности. Осуществление этого проекта - дело очень отдаленного будущего; слишком много трудностей ожидает ученых, которые дерзнут добраться до царства Плутона.

Среди многочисленных проблем, которые придется решать будущим проектировщикам и строителям геотермальных электростанций, далеко не последнее место занимают проблемы экологические. Подземные воды выносят на поверхность не только тепло, но и растворенные в них различные вредные вещества. Эти вещества могут не только разрушать насосы, турбины и трубы, но и загрязнять воздух и воду вблизи геотермальных станций. Возникнет, следовательно, серьезная проблема очистки подземных вод.

5. Энергия течений

Наиболее мощные течения океана - потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв. м поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих, соответственно, 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Система "Кориолис"

Программа " Кориолис" (рис.5) предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе.

Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

Рис.5 Установка турбин по проекту "Кориолис"

6. Морские водоросли как источник энергии

В биомассе водорослей, находящихся в океане, заключается огромное количество энергии. Предполагается использовать для переработки на топливо как прибрежные водоросли, так и фитопланктон. В качестве основных способов переработки рассматриваются сбраживание углеводов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорослей без доступа воздуха для производства метана. Разрабатывается также технология переработки фитопланктона для производства жидкого топлива. Эту технологию предполагается совместить с эксплуатацией океанских термальных электростанций, подогретые глубинные воды которых будут обеспечивать процесс разведения фитопланктона теплом и питательными веществами.

Комплекс "Биосоляр"

В проекте комплекса "Биосоляр" обосновывается возможность непрерывного разведения микроводоросли хлорелла в специальных контейнерах, плавающих по поверхности открытого водоема. Комплекс включает: систему связанных гибкими трубопроводами плавающих контейнеров на берегу или морской платформе; оборудование для переработки водорослей. Контейнеры, играющие роль культиваторов, представляют собой плоские ячеистые поплавки из армированного полиэтилена, открытые сверху для доступа воздуха и солнечного света. Трубопроводами они связаны с отстойником и регенератором. В отстойник откачивается часть продукции для синтеза, а из регенератора в контейнеры поступают питательные вещества - остаток от анаэробной переработки в метантанке. Получаемый в нем биогаз содержит метан и углекислый газ.

Предлагаются и совсем экзотические проекты. В одном из них рассматривается, например, возможность установки электростанции прямо на айсберге. Холод, необходимый для работы станции, можно получать ото льда, а полученная энергия используется для передвижения гигантской глыбы замороженной пресной воды в те места земного шара, где ее очень мало, например, в страны Ближнего Востока.

Другие ученые предлагают использовать полученную энергию для организации морских ферм, производящих продукты питания. Взоры ученых постоянно обращаются к неисчерпаемому источнику энергии - океану. Океан, выпестовавший когда-то саму жизнь на Земле, еще не раз послужит человеку добрым помощником.

7. Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 году советским ученым К.Э. Циолковским.

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. 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 года действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

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. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

8. Водород - топливо будущего

На данный момент водород является самым разрабатываемым "топливом будущего". На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 году исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 году самая крупная термоядерная установка - Европейский Токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Электроводородный генератор

В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название "электроводородный генератор (ЭВГ)". Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт.

"Водородный" автомобиль

Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 году (рис.6)

Рис. 6 Схема расположения топливных элементов внутри автомобиля

Nuvera - небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный элемент" (Fuel Cell). Топливный элемент - устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.

Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция - это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.

"Водородные батарейки"

Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.

Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный бак" - и вперёд!"

9. "Экомобиль" - воздух вместо бензина

В 2000 году многочисленные СМИ, в том числе ВВС, пророчили, что в начале 2002 года начнётся массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива.

Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием e.Volution на выставке Auto Africa Expo2000, которая состоялась в Йоханнесбурге.

Изумлённой общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км/час. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/час. Было заявлено, что стоимость такой поездки обойдётся владельцу e.Volution в 30 центов. При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель - 35 кг. Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Development International), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр (Guy Negre), известный, как разработчик пусковых устройств для болидов

"Формулы 1" и авиационных двигателей. Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива.

Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: "Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 бар. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру.

В "камеру сгорания", хотя в ней уже ничего не сгорает, под давлением подаётся и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передаёт рабочее усилие на коленчатый вал.

Можно даже сказать, что "воздушный" двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет".

энергия топливо спектральный

Выводы

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI века.

Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут.

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Но многие виды энергии человечество не может уловить вследствие того, что несовершенны еще те машины и оборудование, с помощью которых можно получать альтернативную энергию.

Данную работу можно будет использовать на практике, к примеру, на школьных конференциях, на уроках физики, экологии, химии.

Литература

1. Владимирович В.В. Энергия, век двадцать первый. - М.: Детская литература, 1989, - 140 с., ил.

2. Зайцев Б. "Солнечная ферма" // Наука и Техника, 1991, №20, с. 46-47.

3. Шевяков Ю. "Внимание "Электронный смог!" // Наука и Техника, 1991, №8, с. 46-47.

Приложение 1

Приложение 2

Ветроэлектрическая установка ВЭУ-200. Работает система защиты от сильного ветра.

Типовая схема ветросолнечной энергетической установки для индивидуального дома: 1 - ВЭУ; 2 - солнечные батареи; 3 - блок управления; 4 - аккумуляторы; 5 - инвертор; 6-8 - бытовые приборы.

Размещено на Allbest.ru

...