Особливості формування житла з використанням джерел альтернативної енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України. Київський Національний університет будівництва та архітектури.

Дипломна робота

На тему: "Особливості формування житла з використанням джерел альтернативної енергії"

Виконав

Гунченко К.В.

Київ 2014



Вступ

Екологічні проблеми і зростаючий дефіцит енергії вимагають нових рішень в архітектурі житлового будинку. Внеском архітектури у захист навколишнього середовища є створення будівель, які б зменшували витрати енергії на опалення, гарячу воду, електричний струм з традиційних джерел енергії. Це можливо, завдяки кращій теплоізоляції будівель, оптимізації технічних процесів, застосування енергозберігаючих рішень при проектуванні будинків, оснащення будівель приладами з уловлювання енергії від поновлюваних джерел і їх подальшої переробки для споживача.

Традиційне виробництво і використання енергії пов'язані із забрудненням навколишнього середовища. Так, наприклад, при спалюванні викопних видів палива, утворюються токсичні гази і речовини, що негативно впливають на навколишнє середовище. Споживання енергії по всьому світу в найближчі роки буде зростати, і ми не зможемо відмовитися від викопних видів палива. Наслідком буде зростаюче забруднення навколишнього середовища на місцевому, регіональному та глобальному рівнях.

Раціональне використання енергії, скорочення споживання енергоносіїв, а також застосування технологій, що не завдають шкоди навколишньому середовищу, являють собою важливі інструменти у сфері охорони навколишнього середовища. Істотна роль у зниженні рівня екологічного забруднення від використання традиційних видів палива належить розширенню застосування поновлюваних джерел енергії.

До теперішнього часу потенціал відновлюваних джерел енергії використовується в скромних обсягах, в тому числі і в будівельній індустрії, як у нашій країні, так і в усьому світі. Ще більшої актуальності ця тема набула у звязку з погіршенням екологічного стану сережовища.

Світовий досвід у застосуванні енергоефективних технологій в галузі архітектури має багато прикладів успішної його реалізації. Результати, досягнуті на практиці в підвищенні енергетичної ефективності будівель, дозволяють говорити про революційні зміни в сучасному будівництві.

При будівництві з використанням енергозберігаючих технологій важливим аспектом є типологія будівлі. Дане питання мало висвітлене у науковій літературі, що призводить до необхідності аналізу застосовуваних технологій у будівництві громадських, житлових і промислових будівель.

Інтерес до альтернативної енергії та енергозберігаючих технологій зростає, їх впровадження і застосування спрямовані на ефективне використання паливно-енергетичних ресурсів і зниження грошових витрат. Основні напрямки в енергозберігаючих технологіях можна поділити на кілька категорій:

- економія теплової енергії при виробництві, економія електричної енергії, економія палива в виробництві електричної та теплової енергії;

- облік води, газу, тепла та електрики;

- відновлюваних джерела теплової та електричної енергії.

В даний час існує безліч напрямків альтернативою енергії.

Вітрова енергія. Величезна енергія рухомих повітряних мас. запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. У наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії. Вони дають досить багато енергії; якщо поставити кілька вітроелектричних станцій, то цієї енергії вистачить надовго. Але існує кілька важливих проблем: надлишок енергії при штормах і нестача в безвітряну погоду.

Енергія річок. Вода була першим джерелом енергії, і, ймовірно, першою машиною, в якій людина використовувала енергію води, була примітивна водяна турбіна. цей спосіб отримання енергії дає менше енергії, ніж вітрової.

Геотермальні, гідротермальні, системи з високими тепловими потоками основані на використанні ресурсів Землі. Застосування такого роду технологій є екологічно чистими джерелами отримання енергії.

Енергія припливів і відливів, адже світовий океан також один з видів альтернативної енергетики. За допомогою наукових формул розраховуються місця, де будівництво електростанції найбільш ефективно

Сонячна енергія дозволяє вирішувати завдання будь-яких рівнів в споживчому сегменті. Можливість комплексного автономного енергопостачання котеджів або садиб, включаючи ландшафтне освітлення прилеглих територій, а також опалення, підігрів

басейнів і кондиціонування приміщень. Системи автономного електропостачання на основі сонячних батарей можуть використовуватися і як основне джерело відновлюваної енергії, і як резервне.

Також важливими розробками є атомна і воднева енергетика.

Зазначені джерела енергії мають як позитивні, так і негативні властивості. До позитивних належать повсюдна поширеність більшості їх видів, екологічна чистота. Експлуатаційні витрати з використання нетрадиційних джерел не містять паливної складової, так як енергія цих джерел безкоштовна.

Негативні якості - це мала щільність потоку (питома потужність) і змінливість в часі. Перша обставина змушує створювати великі площі енергоустановок, «перехоплюючі» потік використовуваної енергії (приймальні поверхні сонячних установок, площа вітроколеса, протяжні греблі приливних електростанцій і т.п.). Підвищені капіталовкладення згодом окупаються за рахунок низьких експлуатаційних витрат.

При розгляді даних технологій необхідно відзначити, що використання альтернативної енергетики в будівництві вимагає певних умов. Найбільш поширені і економічно обгрунтовані технології активно застосовуються як при новому будівництві, так і при реконструкції будівель різної типології.

Основні положення

Енемргія (від грец. енесгьт -- діяльний) -- це скалярна фізична величина, загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Внаслідок існування закону збереження енергії поняття «енергія» поєднує всі явища природи.

Поняття енергії пов'язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах.

Види енергії

Відповідно до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів енергії: механічна, електромагнітна, хімічна, ядерна, теплова, гравітаційна та ін. Цей поділ є досить умовним. Так хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів, їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Крім того, розрізняють енергію внутрішню і енергію у полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул між собою. Внутрішня енергія ізольованої системи є постійною.

У різноманітних фізичних процесах різні види енергії можуть перетворюватися один у інший. Наприклад, ядерна енергія в атомних електростанціях перетворюється спочатку у внутрішню теплову енергію пари, яка обертає турбіни (механічна енергія), що в свою чергу індукують електричний струм в генераторах (електрична енергія), який використовується для освітлення (енергія електромагнітного поля) і т. д.

Енергія системи однозначно залежить від параметрів, що характеризують її стан. У випадку неперервного середовища вводять поняття густини енергії -- енергія в одиниці об'єму, і густини потоку енергії, що дорівнює добутку густини енергії на швидкість її переміщення.

Мета дослідження

- Проаналізувати зарубіжний та вітчизняний досвід сучасного житлового будівництва з використанням відновлюваних джерел енергії, і досвід «традиційного житла»;

- Розробити класифікацію житлових будинків, що використовують поновлювані джерела енергії;

- Виявити принципи проектування будинків, що використовують поновлювані джерела енергії;

- Сформулювати правила проектування житлових будинків з поновлюваними джерелами енергії («енергонезалежних будинків»);

- Виявити, який вид альтернативної енергії буде застосовуватись у проекті;

- Розробити планувальні рішення, пов'язані з використанням поновлюваних джерел енергії на об'ємно- просторовому і функціонально - планувальному рівні.

Об'єкт дослідження - стаціонарне житло великої поверховості, умови та фактори, що впливають на формування та експлуатацію житлових будинків з поновлюваними джерелами енергії

Предмет дослідження

Предметом дослідження є архітектурно-планувальна організація житлового будинку великої поверховості, що використовує відновлювальні джерела енергії, відповідна до природно-кліматичних, екологічних, економічних і технічних вимог.

Методи дослідження

- Вивчення наукових праць, нормативних, проектних та методичних документів і матеріалів;

- Використання методів історичного дослідження, системного аналізу та графоаналітичного методу;

- Системне уявлення об'єкта, взаємопов'язана розробка основних аспектів типології та об'ємно-планувальної організації будинків середньої поверховості з використанням відновлюваних джерел енергії;

- Експериментальне проектування житлових будинків з використанням поновлюваних джерел енергії.

Наукова новизна

- Полягає у розгляді житлового будинку з використанням поновлюваних джерел енергії не як експериментального будинку для наукових досліджень, а як нового типу житла, що має масовий характер і велику поширеність;

- Полягає у розробленні типології таких будинків та їх класифікації за спорідненими ознаками;

- У розробці об'ємно-просторових і функціонально-планувальних прийомів в проектуванні житлових будинків з використанням відновлюваних джерел енергії різних типів.

Практичне значення

- Розробці принципів формування архітектурної об'ємно-планувальної структури житлового будинку з використанням відновлюваних джерел енергії;

- Класифікація і номенклатура типів таких будинків;

- Функціонально-планувальна структура житлового будинку з використанням поновлюваних джерел енергії.

Виникнення і розвиток

Дослідження історичних даних та літературних джерел

Архітектор Норман Фостер (Sir Norman Foster) пише: «Архітектори не можуть вирішити всі світові екологічні проблеми, але ми можемо проектувати будівлі, що потребують тільки частину споживаної нині енергії, крім того, завдяки належному містобудівельному плануванні ми можемо впливати на транспортні потоки. Розташування та функціональне призначення споруди, її конструктивну гнучкість і технологічний ресурс, орієнтацію, форму і конструкцію, його системи обігріву та вентиляції, характеристики використовуваних при будівництві матеріалів - всі ці параметри впливають на кількість енергії, що вимагається для зведення, експлуатації та технічного обслуговування будівлі, а також для транспорту, що рухається до нього і від нього».

Американський архітектор, винахідник, інженер і філософ Фуллер у своїх роботах пише про те, що найглибше вивчення і розуміння (на якісно новому рівні) сучасних технологій - це не тільки енергозбереження в будівництві, але і спосіб успішного вирішення екологічних, соціальних і гуманітарних проблем.

Гармонія з навколишнім середовищем і енергетична ефективність стали основним факторами при проектуванні будинків у розвинених країнах. Першочерговим завданням архітекторів та інженерів стало не тільки впровадження інноваційних розробок в окремо стоячі житлові будівлі, але і застосування даних технологій в будівництві громадських будівель і споруд. Поява такого роду архітектурних споруд дала можливість удосконалити енергозберігаючі властивості архітектурного середовища. Заходи при формуванні енергоефективних будівель були впроваджені в перших реальних проектах будівель. Основою для проектування був синтез архітектури тановітніх конструктивних розробок.

Перша згадка про пасивні будинки з'явилося напередодні енергетичної кризи 74-75 років минулого століття. Експериментальна енергоефективна будівля була побудована в 1972 році в Манчестері (США). Воно мало кубічну форму, що забезпечувало мінімальну поверхню зовнішніх стін при даному обсязі, а площа скління не перевищувала 10%, що дозволяло зменшити втрати тепла за рахунок об'ємно-планувального рішення. Покриття плоскої покрівлі було виконано в світлих тонах, що зменшувало її нагрівання й відповідно знижувало вимоги до вентиляції в теплу пору року. На покрівлі будівлі були встановлені сонячні колектори.

Трохи пізніше, в 1973-1979 роках, у фінському місті Отаніємі був побудований комплекс Econo-house, де крім об'ємно-планувального рішення, що враховує особливості місця розташування і клімату, була застосована особлива система вентиляції: повітря нагрівався за рахунок сонячної радіації, тепло якої акумулювалося спеціальними склопакетами і жалюзі. Також в загальну схему теплообміну будівлі, що забезпечує енергоефективність, були включені сонячні колектори та геотермальна установка. Форма скатів покрівлі будівлі враховувала широту місця будівництва і кути падіння сонячних променів у різні пори року.

Проте вперше повноцінну схему обладнання пасивного будинку розробили в травні 1988 року доктор Вольфганг Файст, засновник Інституту пасивного будинку в Дармштадті (Німеччина), і професор Бо Адамсон з Лундського університету в Швеції. Концепція розроблялася в численних дослідницьких проектах, фінансованих німецькою землею Гессен. З тих пір технологія пасивного будинку удосконалювалася, і сьогодні на її основі побудовано більше 2 тис. споруд у Західній Європі. Найбільш яскраві приклади - особняки в місті Ульмі, побудовані в 2000 році, переобладнане в пасивний будинок звичайне студентське гуртожиток у Вупперталі і перше в світі будівлю, в якому виробляється більше енергії, ніж витрачається, зведена в 2001 році в Вайце.

Місцем «народження» концепції пасивного будинку стала Німеччина. В травні 1988 року доктор Вольфганг Файст, засновник «Інституту пасивного будинку» в Дармштадті (Німеччина, 1996), і професор Бо Адамсон із Лундського університету (Швеція) запропонували цікаву схему обладнання пасивного будинку. Вольфганг Файст, фізик-будівельник за спеціальністю, розраховував енергетичні баланси до тих пір, доки йому не вдалось вирахувати показники такої будівлі, яка при правильному будівництві взагалі більше не потребувала б спеціальної системи опалення, і будівля такого типу отримала назву «пасивний будинок». Енергетична концепція пасивного будинку спрямована на зниження витрат енергії в нових будівлях в 8-10 разів. Таким чином, в той час, як звичайна будівля в Німеччині споживає від 150 до 250 кВт*год/м² в рік, пасивному будинку достатньо всього 10-15 кВт*год/м² в рік. Розробки концепції пасивного будинку здійснювались в багатьох дослідницьких проектах, що фінансувались землею Гессен, Німеччина.

Будівництво житлових будівель методом «пасивного будинку» вже достатньо поширене в Німеччині і має великий успіх. В області будівництва шкіл також існують чисельні інноваційні проекти. Дана концепція з часом стала широко популяризуватись і проникати в будівництво в багатьох інших країнах.

Позитивним прикладом застосування альтернативних джерел повною мірою є експериментальне будівництво житлового району VIIKKI, Гельсінкі, Фінляндія. Практика будівництва «Sustainable building» є одним з етапів розвитку енергоефективних будівель, яка сьогодні викликає великий інтерес у фахівців усіх країн. «Sustainable building» означає «стала будівля», але за своїм змістом це «життєзберігаюча будівла». «Sustainable building» - це обширна дисципліна, що включає в себе вивчення можливості використання екологічно чистих відновлюваних джерел енергії, а також оптимального використання витрат енергії.

На сучасному етапі застосування альтернативних технологій при будівництві енергоефективних будівель є одним з головних напрямків в архітектурі. Доктрина енергозберігаючих технологій вирішує не тільки питання, пов'язані з архітектурою, а й питання економіки, ресурсозбереження, а також екологізації. При розгляді даного питання були виявлені особливості застосування альтернативну джерел енергії, а також енергозберігаючих технологій при проектування будівель різної типології

Біонічний метод формування простору енергоефективного будинку

Розглядаючи питаня формування енергоефективного житла, варто розглянути сучасні методи формування структури будинку, як приклад далі розглянуто біонічний метод формування будівлі.

Перед усіма вченими світу стоїть проблема знаходження та розробки нових альтернативних джерел енергії, що використовують енергію сонця, вітру, припливів і відливів, морських хвиль, внутрішнє тепло планети. Сонячна енергія може бути перетворена в теплоту або холод, рушійну силу і електрику. Сонце забезпечує нас в 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, чим фактично використовується. Біоенергія - використання біопалива (етанол, біодизель, біогаз) мають високу теплотворну здатність, не вимагає великих змін в існуючій інфраструктурі, обладнанні, двигунах.

Геотермальна енергія - внутрішня енергія Землі. Як відомо, температура надр підвищується в середньому на 3-5 ° на кожні 100 м глибини, і що пробиваються з глибини гарячі джерела по всьому світу використовуються для вироблення електроенергії. Енергія вітру не тільки допомагає вирішити багато проблем енергопостачання заміських і віддалених об'єктів, але й отримати незалежність від місцевих енергопостачальних організацій. Енергія хвиль, деформуючи нескладні установки (гумові трубки), генерує всередині неї коливання, які приводять у рух турбіну, встановлену на іншому кінці пристрою. Поряд з локальними екологічними наслідками, що супроводжуються забрудненням повітря і води, ерозією грунту, існує небезпека зміни світового клімату в результаті дії парникового ефекту. Біоніка - наука, прикордонна між біологією і технікою, вирішальна інженерні завдання на основі моделювання структури і життєдіяльності організмів. У цьому новаторство, оригінальність і потенційна ефективність біонічного методу.

Можна виділити наступні принципи побудови архітектурних форм: функціональний, екологічний, технологічний, естетичний. Необхідно особливо виділити принцип трансформації - принцип майбутнього: трансформація форми, функціональна трансформація, трансформація кольору, екологічна трансформація; синергетичні системи. Архітектурна біоніка повинна займатися вивченням організації простору живої природи - біосфери як цілісної системи, що включає в себе флору, фауну, земну поверхню, водний простір і космос. Шлях до розуміння цілісного простору природи лежить через дослідження його окремих елементів і елементарних зв'язків, як самостійні системи (конструктивна, екологічна, колірна).

На основі засобів архітектурно-будівельної біоніки можуть здійснюватися за наступними напрямками:

- Архітектурна біоніка - як ресурсозберігаюча технологія моделювання та конструювання будівель і споруд;

- Біонічні інформаційні технології як ресурсозберігаючі технології інтелектуального проектування об'єктів будівництва;

- Біонічний синтез конструктивних систем як ресурсозберігаюча технологія концептуального проектування;

- Синтез архітектурних форм, несучих і огороджувальних конструкцій енергозберігаючих об'єктів будівництва;

- Синтез конструктивних систем з регулюванням параметрів напружено - деформованого стану;

- Виявлення і вивчення біонічних принципів і закономірностей створення ефективних конструктивних систем об'єктів будівництва;

- Теоретичні та експериментальні дослідження поведінки сучасних біонічних конструкцій при різних впливах навколишнього середовища;

- Розробка нових типів конструктивних систем на основі виявлених біонічних принципів: розробка інтелектуальних систем автоматизованого наскрізного проектування оптимальних конструкцій з використанням біонічних методів оцінки ефективних рішень;

- Створення швидкомонтованих конструкцій біонічного типу, що дозволяють легко трансформувати всю конструкцію з транспортного стану - в - робоче і навпаки.



1. Проблематика застосування альтернативних джерел енергії

Ресурсозбереження - це глобальна проблема людства пов'язується, насамперед, з обмеженістю найважливіших органічних і мінерально-сировинних ресурсів планети. Вчені попереджають про можливе вичерпання відомих і доступних для використання запасів нафти і газу, а також про виснаження інших найважливіших ресурсів: залізної і мідної руди, нікелю, алюмінію, хрому і т.д. Нафта і газ стали головними джерелами енергії і разом з тим важливими сировинними ресурсами. Цими обставинами пояснюється все зростаюча експлуатація нафтових і газових родовищ.

Перед людством постало питання: чи надовго вистачить йому необхідних природних ресурсів? Пройшли ті часи, коли здавалося, що ресурси Землі невичерпні. Звичайно, про повне вичерпання ресурсів говорити ще рано, але це слабка втіха. У всьому світі сьогодні йде перехід до менш продуктивним родовищем сировини чи розташованими в важкодоступних районах зі сніговими природними умовами, що сильно здорожує здобич. Саме розподіл природних ресурсів на невичерпні і вичерпні стає все більш умовним. Зараз ми вже замислюємося про можливість вичерпання запасів атмосферного кисню, а в перспективі таке ж питання може виникнути навіть про ресурси сонячної енергії, хоча поки ще потік її здається нам практично невичерпним.

Виходячи зі сказаного, слід очікувати, принаймні, найближчим десятиліття, подальшого зростання потреб у найрізноманітніших природних ресурсах. При оцінці їх запасів важливо розрізняти дві великі групи ресурсів - невідновних і відновлювані. Перші практично не поповнюються, і їх кількість неухильно зменшується в міру використання. Сюди відносяться мінеральні ресурси, а також земельні ресурси, обмежені розмірами площі земної поверхні. Відновлювані ресурси або здатні до самовідтворення (біологічні), або безперервно надходять до Землі ззовні (сонячна енергія), або, перебуваючи в безперервному кругообігу, можуть використовуватися повторно (вода). Зрозуміло, відновлювані ресурси, як і невідновних, не нескінченні, але їх відновлювальна частина може постійно використовуватися.

Якщо звернутися до головних типів світових природних ресурсів, то в самому загальному вигляді ми отримуємо наступну картину. Основним видом енергоресурсів поки ще залишається мінеральне паливо - нафта, газ, вугілля. Ці джерела енергії невідновних, і за нинішніх темпів зростання їх видобутку вони можуть бути вичерпані через 80 -140 років.

Всі види природних ресурсів - теплові, водні, мінеральні, біологічні, грунтові - пов'язані з певними компонентами природного комплексу (геосистеми) і складають разхідну частину цих компонентів. Можливість бути витраченими - специфічна властивість природних ресурсів, що відрізняє їх від природних умов. До останніх відносяться постійно діючі властивості природних комплексів, які не використовуються для отримання корисного продукту, але роблять істотний позитивний або негативний вплив на розвиток і розміщення виробництва (наприклад, температурний і водний режим, вітри, рельєф, несуча здатність грунтів, багаторічна мерзлота, сейсмічність).

У сучасному світі виникає досить багато проблем пов'язаних з видобуванням сировинних ресурсів. Як економічні, так і технічні. Найактуальніша - це незнання реальних даних, про те скільки ресурсів залишилося.

Відновлювані ресурси

Відновлювані ресурси заслуговують на особливу увагу. Весь механізм їх відновлення є, по суті, проявом функціонування геосистем за рахунок поглинання променевої енергії сонця. Відновлювані ресурси слід розглядати як ресурси майбутнього: на відміну від невідновних, вони при раціональному використанні не приречені на повне зникнення, і їхнє відтворення до певної міри піддається регулюванню (наприклад, за допомогою меліорації лісів можна збільшити їх продуктивність і вихід деревини). Треба зауважити, що антропогенне втручання в біологічний круговорот сильно підриває природний процес відновлення біологічних ресурсів.

Вільний кисень.

Він відновлюється в процесі фотосинтезу рослин; в природних умовах баланс кисню підтримується його витратою на процеси дихання, гниття, освіта карбонатів. Вже зараз людство використовує близько 10 % (а за деякими підрахунками - навіть більше) прибуткової частини кисневого балансу в атмосфері. Правда, практично спад атмосферного кисню поки не відчувається навіть точними приладами. Але за умови щорічного 5 - відсоткового зростання споживання кисню на промислово - енергетичні потреби його вміст в атмосфері зменшиться, на 2/ 3, тобто стане критичним для життя людей через 180 років, а при щорічному зростанні на 10 % - вже через 100 років.

Ресурси прісної води.

Прісна вода на Землі щорічно поновлюється у вигляді атмосферних опадів, обсяг яких дорівнює 520 тис. км3. Проте практично при водогосподарських розрахунках і прогнозах слід виходити лише з тієї частини опадів, яка стікає по земній поверхні, утворюючи водотоки. Це складе 37 - 38 тис. км3. В даний час на господарсько - побутові потреби відволікається в світі 3,6 тис. км3 стоку, але фактично використовується більше, так як сюди треба додати ще ту частину стоку, яка витрачається на розбавлення забруднених вод; в сумі це становитиме 8,2 тис. км3, тобто більше 1 / 5 світового річкового стоку. Додаткові резерви водних ресурсів - опріснення морської води, використання айсбергів.

Біологічні ресурси.

Вони складаються з рослинної і тваринної маси, одноразовий запас якої на Землі вимірюється величиною порядку 2,4 * 1012 тонн (у перерахунку на суху речовину). Щорічний приріст біомаси у світі (тобто біологічна продуктивність) становить приблизно 2,3 * 1011 тонн. Основна частина запасів біомаси Землі (близько 4 / 5) припадає на лісову рослинність, яка дає більше 1/ 3 загального щорічного приросту живої матерії. Людська діяльність призвела до значного скорочення загальної біомаси і біологічної продуктивності Землі. Правда, замінивши частину колишніх лісових площ ріллями і пасовищами, люди отримали виграш в якісному складі біологічної продукції і змогли забезпечити харчуванням, а також важливим технічною сировиною (волокно, шкіри, тощо) зростаюче населення Землі.

З інших біологічних ресурсів найважливіше значення має деревина. Зараз на експлуатованих лісових площах, що складають 1 /3 всієї лісової площі суші, щорічна заготівля деревини (2,2 млрд. м3) наближається до річного приросту. Тим часом потреба в лісоматеріалів буде рости. Подальша експлуатація лісів повинна здійснюватися лише в рамках їх возобновимой частини, не зачіпаючи « основного капіталу», тобто площа лісів не повинна зменшуватися, вирубка повинна супроводжуватися лісовідновленням. Слід, крім того, підвищувати продуктивність лісів шляхом меліорації, більш раціонально використовувати деревину і в міру можливостей замінювати його іншими матеріалами.

Територіальні ресурси.

Також варто сказати про земельні, або, точніше, територіальні ресурси. Площа земної поверхні скінченна і невідновна. Майже всі сприятливі для освоєння землі вже, так чи інакше, використовуються. Залишилися неосвоєними переважно площі, освоєння яких вимагає великих витрат і технічних засобів (пустелі, болота, тощо) або практично непридатні для використання (льодовики, високогір'я, полярні пустелі). Тим часом із зростанням населення і подальшим науково - технічним прогресом буде потрібно все більше площ для будівництва міст, електростанцій, аеродромів, водосховищ, зростає потреба в сільськогосподарських угіддях, багато площі необхідно зберегти як заповідники і т.д. Все більше земель «з'їдають» комунікації і великі інженерні споруди.

Невичерпні види ресурсів.

До невичерпних ресурсів належать ті, які пов'язані з енергією Сонця і внутрішніх глибин Землі, силами гравітації (енергія сонячних променів, вітру, припливів і відливів, кліматичні ресурси), а також води Світового океану.

Такі види енергетичних ресурсів називають альтернативними джерелами енергії.

Відповідно до резолюції № 33 / 148 Генеральної Асамблеї ООН (1978р.) до альтернативних джерел енергії відносяться: сонячна, вітрова, геотермальна, енергія морських хвиль, припливів і океану, енергія біомаси, гідроенергія великих і малих водотоків.

Використання енергії припливів.

Під впливом гравітації Місяця і Сонця в океанах і морях збуджуються приливи. Вони проявляються в періодичних коливаннях рівня води і в її горизонтальному переміщенні (приливні течії).

При розрахунках енергетичних ресурсів Світового океану для їх використання в конкретних цілях, наприклад для виробництва електроенергії, вся енергія припливів оцінюється в 1 млрд. кВт, тоді як сумарна енергія всіх річок земної кулі дорівнює 850 млн. кВт. Колосальні енергетичні потужності океанів і морів являють собою дуже велику природну цінність для людини. Розпочато освоєння енергії припливів, розроблені проекти використання енергії хвиль, прибою і течій.

Використання енергії хвиль.

Вітер збуджує хвильовий рух поверхні океанів і морів. Хвилі і берегової прибій мають дуже великим запасом енергії. Кожен метр гребеня хвилі висотою 3 м несе в собі 100 кВт енергії, а кожен кілометр - 1 млн. кВт. За оцінками дослідників США, загальна потужність хвиль Світового океану дорівнює 90 млрд. кВт.

Поки вдалося домогтися певних успіхів у галузі застосування енергії морських хвиль для виробництва електроенергії, що живить установки малої потужності. Волноенергетіческіе установки використовуються для живлення електроенергією маяків, сигнальних морських вогнів, стаціонарних океанологічних приладів, розташованих далеко від берега, і т.п. В порівнянні із звичайними електроакумуляторами, батареями та іншими джерелами струму вони дешевші, надійніші і рідше потребують обслуговування. Хвильовий електрогенератор успішно експлуатується на плавучому маяку Мадрасского порту в Індії. Роботи зі створення та вдосконалення подібних енергетичних приладів проводяться в різних країнах.

Використання енергії сонячного випромінювання.

Протягом мільярдів років Сонце щомиті випромінює величезну енергію. Близько третини енергії сонячного випромінювання, що потрапляє на Землю, відображається нею і розсівається в міжпланетному просторі. Інша частина сонячної енергії йде на нагрівання земної атмосфери, океанів і суші.

В даний час в народному господарстві досить часто використовується сонячна енергія - геліотехнічні установки (різні типи сонячних теплиць, парників, опріснювачів, водонагрівачів, сушарок). Сонячні промені, зібрані у фокусі увігнутого дзеркала, плавлять метали. Ведуться роботи по створенню сонячних електростанцій, з використання сонячної енергії для опалення будинків і т.д. Практичне застосування знаходять напівпровідникові сонячні батареї, що дозволяють безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричну.

Шляхи вирішення проблеми ресурсозабезпеченості.

Виходом з цієї ситуації може бути вторинне використання відходів, економічне використання води (опріснення морської води, використання айсбергів), перехід до більш довговічних і легких матеріалів (вуглепластиків). Прихильники захисту навколишнього середовища закликають індустріальні країни здійснити перехід від одноразового використання з великою кількістю відходів до господарства, що проводить незначна кількість відходів. Це зажадає залучення економічних стимулів, певних дій урядів і людей, а також змін у поведінці та способі життя населення Землі.

Реалістичний шлях вирішення проблем, пов'язаних з вичерпністю земельних ресурсів, перш за все передбачає перебудову існуючого використання земель на науковій основі, тобто раціональну організацію території. Зрозуміло, раціональна організація території передбачає і рекультивацію земель, порушених попереднім господарським використанням та інтенсифікацію сільського господарства, і продуманий підхід до створення водосховищ і багато іншого.

2. Досвід використання альтернативних джерел енергії

Багато країн, особливо ті, які мають великих запасів нафти, вугілля й газу, переходять на натомість альтернативні джерела енергії.

У Канаді, Швеції, Норвегії, Фінляндії, на Алясці дедалі ширше застосування знаходять сонячні електростанції. У 2000р. частка сонячної енергії в енергопостачанні Канадського Півночі досягла 5%. Підвищення ефективності сонячних елементів і забезпечення якості матеріалів дозволило два останніх десятиліття знизити на 80% видатки на їх спорудження. Зараз сонячні елементи вбудовують в черепицю, керамічні плитки і шибки, що дає змогу отримувати електроенергію окремим будинкам. Сумарна потужність сонячних батарей зросла злагоді зі 150 МВт в 1985 р. до 900 МВт до 1999 р. У Японії з допомогою геотермальної енергетики розтоплюють сніг. Геотермальна енергетика у Японії займає значне місце - їхня частка становить 21 %. Основним стримуючим чинником у розвиток стали екологічні рухи. Це при тому, що станції перебувають у природних парках й подальший їхній розвиток ускладнено небезпекою зашкодити охоронюваним і заповідним територіям. Ядерні станції дають 35% загального енерговиробництва, природний газ - 24%. В Україні максимум споживання електроенергії викликають зимові, найхолодніші місяці, а Японії - на літо, коли за спеки основне споживання пов'язані з роботою устаткування, який виробляє холодне повітря.

Але найбільше у використанні геотермальних ресурсів прогресує Ісландія. Наприклад, столиця Ісландії Рейк'явік з 1943 року використовує геотермальні води для обігріву будинків, установ, крамниць та фабрик. Встановлена потужність всіх ісландських геотермальних станцій ще 1988 р. становила 39 МВт.

Область вітрової енергетики розвинена у Данії. Нині налічується понад 4 тисяч вітроустановок, куди припадає близько 5% усієї створеної в країні електроенергії. Зауважимо, що енергії як самої екологічно чистої, так і дешевої. Коли на початку 1990-х рр. 1 кВт год її коштував одну шведську крону, нині -- вчетверо дешевше. Це значно менше за аналогічний показник АЕС і вугільних ТЕС, і навіть конкурентоспроможної дешевої шведської гідроенергії. Датські вітроустановки користуються великим попитом -- більше половини світового попиту них задовольняється датськими фірмами та його ліцензіатами. Це було результатом стратегічного передбачення держави, сприйнятливого до нововведень і стратегічного партнерства з промисловістю, що дозволяло Данії зайняти вигідні позиції з напередодні нової постіндустріальної ери.

Нині дедалі більше країн звертаються до поновлюваних джерел енергії. Хронічна нестача електроенергії в країні спонукала уряд КНР ухвалити рішення про будівництві великої вітряної електростанції. Вітрові турбіни загальної потужністю 1 млн. кВт буде встановлено у прибережній зоні провінції Хебей в Бохайському морі. Перший комплекс вітряків потужністю 50000 кВт збудують вже цього року, а повністю будівництво вітроелектростанції завершиться через п'ятнадцять років. Вартість проекту становитиме 1,1 млрд. доларів, інвестувати будівництво будуть компанії Huanghua Port Development Zone і Guohua Energy Investment. китайські власті заявили, щодо 2007 року щорічно планується виробляти додаткові 70 млн. кВт енергії, щоб у цілому електроенергетична система КНР виробляла 650 млн. кВт. Тільки за дотриманні цього плану Китай зможе як забезпечити які існують потреби, а й мати надлишок електроенергії. Зараз міста КНР живуть у режимі жорсткої економії електрики - планові блекаути стають дедалі більше, а підприємства змушені переносити виробництво своєї продукції на вихідні дні чи інший час, коли попит на електроенергію знижується.

Відповідно до урядових планів, до 2020 року з джерел, як-от енергія води, сонця і вітру, країна отримуватиме близько 20 млн. кВт електроенергії. Потенційно лише енергія вітру дозволяє виробляти 253 млн. кВт енергії, проте до цієї пори використовувалася лише мала частка цього ресурсу.

У Португалії стартує амбіційний проект - у закутку південної провінції Алентейо розпочнеться будівництво найбільшої в світі електростанції, яка працює від енергії сонця. У місті Моури планується встановити 350000 сонячних батарей, які займуть площу перейменують на 114 гектарів, повідомляє агентство France Presse. Нова електростанція зможе виробляти 62 МВт електроенергії - це вшестеро разів більше, ніж виробляє сонячна електростанція у Німеччині, найбільший з існуючих нині.

Станція Leipziger Land перебуває у Эспенхайні, неподалік Лейпцигу. Вона складається з 33500 модулів загальної потужністю близько 20 МВт. Електроенергії, вироблюваної сонячної електростанцією, вистачає задля забезпечення потреб 1800 будинків, що дозволяє скоротити викиди вуглекислого газу на 3,7 тисяч т дизпалива на рік.. Вартість проекту становить 250 млн. євро (307 млн. доларів). На Алентейо вибір упав невипадково - провінція належить до самих сонячних територій у Європі. За оцінками спеціалістів, Португалія може отримувати близько 39% від усієї вироблюваної країни електроенергії з джерел.

10 найбільш незвичайних способів отримання електроенергії

1. Отримання електроенергії з відходів шоколадної фабрики

Британський мікробіолог Лінн Маккаскі (Lynne Mackaskie) з університету Бірмінгема (University of Birmingham) відрядила бактерії виробляти енергію з відходів шоколадної фабрики.

Лінн згодовувала бактеріям Escherichia coli розчин нуги і карамелі з фабричних відходів. Бактерії розщеплювали цукор і виробляли водень. Водень тут же прямував в паливний елемент, який виробляв достатньо електроенергії для невеликого вентилятора.

Також Маккаскі продемонструвала іншу чудову роботу тих же самих малюсіньких помічників.

Цього разу бактерії помістили в розчин відходів з лінії по переробці старих автомобільних нейтралізаторів. Той же фермент гідрогенезу, що брав участь у виробленні водню, тут вступав у реакцію з речовинами в розчині і, в кінцевому рахунку, допомагав мікробам вивести з нього розчинений паладій, який закріплювався на поверхні бактерій.

Ці бактерії, говорить дослідниця, легко зібрати і зі своїм паладієвим "одягом" направити на нову роботу - у ролі каталізаторів для якихось інших хімічних виробництв.

3. Виробництво електроенергії за рахунок використання стічних вод

Дослідники з університету Пенсільванії (Pennsylvania State University) створили прототип унітазу - електростанції, який виробляє електрику за рахунок розкладу органічних відходів.

Тут у справу пущені бактерії, які є в звичайних стічних водах. Ці бактерії поїдають органіку, виділяючи вуглекислий газ. При цьому в хімічних реакціях відбувається перехід електронів між атомами. Вчені зуміли вклинитися в цей процес і змусити бігти ці електрони в обхід - по зовнішньому ланцюзі.

Для цього автори агрегату застосували пластмасову трубу, діаметром 6,5 см і довжиною 15 см, в якій розмістили вісім периферійних стрижнів - електродів з графіту і один центральний електрод, виконаний з пластика, графіту і платини.

Коли через цю трубку прокачували нечистоти, в ланцюзі між центральним і периферійними стрижнями йде струм. Правда, потужність становить лише кілька міліватт. Але Брюс Логан (Bruce Logan), один з авторів проекту, говорить, що команда працює над підвищенням потужності.

Можливо, унітази - електростанції зможуть живити одну- дві лампочки, економлячи енергію. До того ж, широке впровадження новинки сприяло б додаткової очистки стічних вод.

4. Отримання електроенергії з енергії сонця і зірок

Російські вчені-ядерники створили батарею, яка може трансформувати в електрику як сонячну енергію, так і енергію зірок. Презентація цього «ноу -хау» пройшла нещодавно в Науковому центрі прикладних досліджень Об'єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД) в підмосковній Дубні.

"Це унікальна батарея, яка не має аналогів у світі, може працювати 24 години на добу", - розповів директор центру Валентин Самойлов. За його словами, «вченим вдалося створити нову речовину - гетероелектрик, завдяки якому батарея може працювати на Землі на енергії сонця і зірок, незалежно від погодних умов». Розробка вже довела свою високу ефективність як в темний, так і в хмарний час доби, зазначив учений, передає ИТАР -ТАСС.

За словами Самойлова, «зоряна батарея», як її охрестили розробники, у кілька разів ефективніше звичайної сонячної. «Ефективність перетворення світла в електричний струм у демонстраційного зразка у видимій області - більш ніж у 2 рази вище, а в інфрачервоній області - в 1,5 рази», - підкреслив він. Самойлов зазначив що «собівартість гетероелектричного фотоелемента нижче, ніж у фотоелемента звичайної сонячної батареї».

5. Отримання електроенергії з повітря

Hitachi розробила нову технологію отримання електроенергії, використовуючи природно виникаючі в повітрі вібрації з амплітудою в декілька мікрометрів. Хоча поки технологія забезпечує досить низьку напругу, її привабливість полягає в тому, що генератори можуть працювати в будь-якому місці і за будь-яких умовах, на відміну від тих же сонячних батарей.

Технологія грунтується на теорії, що електрика може вироблятися, при вібрації змінюється відстань між електродом, закріпленому на плоскій пружині, і нерухомим електродом.

Для підтвердження своєї теорії розробники створили пристрій розміром 2,5 х7 см, що виробляє струм потужністю 0,12 мікроват при виникненні коливань в кілька мікрометрів, які можна виявити навіть в майже нерухомому повітрі будівлі. Такої потужності цілком достатньо для роботи температурного або світлового датчика раз на годину, або відправки даних, заміряних датчиком, в інше місце.

На думку розробників, технологію можна використовувати, наприклад, в датчиках для визначення втоми будівлі або зносу деталей механізмів. У Hitachi планують розширити коло додатків свого відкриття, зменшивши розміри приладу до 1х1 см і збільшивши потужність виробленого струму.

6. Отримання електроенергії з проточної води

Канадські вчені винайшли новий пристрій, що називається електрокінетична батарея. Електрокінетична батарея - насправді досить примітивний пристрій. Вона являє собою невеликий скляну посудину, який пронизують сотні тисяч мікроскопічних каналів.

Завдяки феномену електричного поля, яке створюється двошаровим середовищем, посудина працює як звичайна нагрівальна батарея. Вода в ньому, протікаючи по каналах, утворює позитивний заряд на одному кінці судини і негативний - на іншому. У результаті виробляється енергія.

Експериментальний прилад був створений в Університеті Альберта в Канаді. В силу своїх невеликих розмірів він і енергії виробляє небагато, але глава групи вчених Ларрі Костюк вважає, що створити потужну машину не важко. Потрібно буде всього лише оснастити прилад великим фільтром.

Збільшені копії таких батарей можна поставити де-небудь на швидких річках. Можливо, в майбутньому звичайні електричні батарейки типу А- 4 можна буде замінити крихітними пристроями, в яких використовуватиметься вода під тиском.

7. Океанська підводна електростанція

Уже котрий рік у промисловому дизайні затребуваною залишається концепція «біомімікрія», тобто запозичення різних технологічних рішень у природи. Таким підходом скористалася австралійська компанія BioPower Systems, розробляючи проект океанської підводної електростанції BioWawe, яка виробляє електроенергію за рахунок створюваних підводними течіями коливань спеціальних «стебел». Схожим чином коливаються і водорості, правда, не виробляючи при цьому електрику.

Зовні електростанція дійсно виглядає як водорість з трьома великими гнучкими листям. Якщо течія виявляється занадто сильною і загрожує цілісності конструкції, листя пригинаються до дна, де потік повільніший. Прототип електростанції вже проходить випробування у берегів Тасманії і при цьому успішно виробляє 250 кВт енергії. Згідно з планами розробників, незабаром такі електростанції забезпечуватимуть енергією прилеглі острови Фліндерс і Кінг, а пізніше - весь австралійський штат Вікторія включаючи столицю Мельбурн.

8. Отримання електроенергії з фарби

У ході досліджень, що тривали три роки, компанія Industrial Nanotech створила особливий вид термоізоляційного покриття, здатний виробляти електроенергію за рахунок різниці температур між стіною будинку і навколишнім середовищем.

Керівник компанії Industrial Nanotech Стюарт Берчілл стверджує, що корисний ефект від нової фарби дуже великий. Оскільки різниця температур є завжди, то і джерело енергії буде постійним. Її використання приносить не тільки економічні вигоди, але зменшує викид вуглекислого газу в атмосферу.

Принципова відмінність нового альтернативного джерела енергії від інших у тому, що тільки ця енергія є постійною і універсальною. Перспектива у розробки Industrial Nanotech безумовно є, але тільки з тому випадку, якщо вартість матеріалу не буде надмірно завищена. Ніякої інформації про новий матеріал компанія не дає. Швидше за все подробиці з'являться після реєстрації патентів. Судячи з назви самої компанії, без нанотехнологій в новинці не обійшлося.

9. Отримання електроенергії від вібрації при ходьбі пішоходів

У буквальному сенсі пульс міста хочуть використовувати як відновлюване джерело електроенергії лондонські архітектори з фірми Facility Architects. Вібрації від проїжджаючих вантажівок, поїздів, що проходять і навіть пішоходів планується перетворювати в енергію для вуличного і не тільки освітлення.

" У години - пік через вокзал Вікторія за 60 хвилин проходить 34 тисячі чоловік. Не потрібно бути математичним генієм, щоб зрозуміти - якщо вдасться використовувати цю енергію, то може фактично вийти дуже корисне джерело енергії, яка в даний час витрачається даремно ", - пояснює директор архітектурної фірми Клер Прайс (Claire Price).

Стимул для старту проекту Pacesetters (" Лідери", " Задаючі тон, тенденцію, напрям розвитку") з'явився на одній з церемоній роздачі призів, коли якийсь член журі сказав Прайсу, що йому "подобається ідея про збір енергії від вібрацій, але затія ніколи не буде працювати".

"Для нас це було все одно, що червона ганчірка для бика ", - згадує голова Facility Architects. І вже через кілька місяців компанія отримала ряд пропозицій, так само, як фінансову і технічну підтримку від декількох організацій.

"Моєю першою реакцією, коли я побачив проект, було "Нічого собі! Боже мій, це фантастика!", Хоча як інженер я, звичайно, зрозумів, що, так, це дійсно може працювати", - говорить Тоні Бейтс (Tony Bates), менеджер фірми Scott Wilson, яка разом з Facility Architects в даний час втілює ідею в реальності.

Два " збираючих вібрації " зразка повинні бути готові до грудня. Насамперед нову технологію впровадять в сходи: "вбирати" енергію кроків вона буде за допомогою гідравлічних або п'єзоелектричних елементів.

Автори проекту вважають, що ця система зможе отримувати від кожної людини 3-4 вата, приблизно половину від тих 6-8 ват, які кожна людина, нібито, витрачає при ходьбі по сходинках. До початку наступного літа сходи з генеруючими ток елементами будуть встановлені в реальній будівлі, для випробувань та аналізу.

10. Отримання електроенергії шляхом використання турнікетів -генераторів

Практики - японці ще більш вдосконалили попередній спосіб отримання електроенергії і запропонували використовувати для цієї мети турнікети в метро.

На одному з вокзалів Токіо пасажири, проходячи через турнікети, виробляють електроенергію. "Японська східна залізнична компанія" (East Japan Railway Company) вирішила незвичайним способом забезпечити вокзал екологічно чистим додатковим джерелом електроенергії та запустила експериментальну систему, що дозволяє виробляти електрику при проходженні пасажирів через турнікет.

Як повідомляє Membrana.ru, в підлогу під турнікетами вокзалу вбудовані п'єзоелементи, які виробляють електрику від тиску і вібрації, коли люди наступають на них. У разі якщо експеримент з турнікетами - генераторами вважатимуть вдалим, у Японії з'явиться новий вигідний джерело електрики, адже залізниці є основними транспортними артеріями країни, і мільйони японців і туристів щодня проходять через турнікети вокзалів.

Компанія MagCap Engineering з Массачусетсу з'єднала зусилля з винахідником Гордоном Уодл (Gordon W. Wadle) з Іллінойсу, щоб реалізувати вельми екстравагантний проект. Вони вірять, що через кілька років ми будемо протягувати дроти від своїх будинків до найближчих дерев у парках і лісах, щоб погріти воду в електрочайнику або зарядити телефон.

Американські інженери впевнені, що скоро дерева " навчаться " цілодобово давати нам невелику кількість енергії, яка буде накопичуватися в акумуляторах і витрачатися у міру потреби.

Основа винаходи Уодл (саме з його роботи все і почалося) - металевий прут, встромлений в дерево, що занурений на деяку глибину в грунт, і схема, яка фільтрує струм і підвищує вихідну напругу, достатньо, щоб зарядити батарею. У поточній експериментальної конфігурації система виробляє достатньо енергії, щоб живити маленький світлодіод.

Лагадінос вважає, що будь-хто може відтворити простий досвід: "Увіткніть алюмінієвий стрижень через кору в стовбур живого дерева; зробіть мідну трубку і занурте її на 17 сантиметрів в грунт. Візьміть вольтметр і переконайтеся, що між стрижнем у стовбурі і закопаної трубкою є потенціал - 0, 8 - 1,2 вольта постійного струму ".

"Думайте про довкілля як про батарею, - говорить Лагадінос, - з деревом в якості позитивного полюса і прутка в грунті - в якості негативного".

У проведених дослідах не спостерігалося ні витрачання матеріалу електродів, ні залежності напруги від висоти дерева (що підтверджувало б версію про детекторі хвиль). І це не фотосинтез. Взимку, коли листя скинуті, напруга навіть трохи вище, говорять творці приладу.

І ніякого збитку для дерева, мовляв, теж немає. Можна тисячі і тисячі живих дерев в парках оповити проводами і живити від них найближчі будинки. А ще - лампочки в дорожніх знаках або, наприклад, наукові прилади в глухих куточках планети.

Крім цього Лагадінос придумав, як перетворювати це природне джерело енергії в придатний до вживання постійний струм.

MagCap випробувала дві схеми: в одній три конденсатора з'єднані паралельно. Коли вони заряджаються від дерева до 0,7 вольт, схема перемикає їх на послідовне з'єднання, підвищуючи, таким чином, напругу до 2,1 вольта, від якого деякий час прекрасно працює світлодіод. Другий варіант приладу включає якийсь фільтр- стабілізатор напруги, так що стає можливим заряджати невелику нікель- кадмієвих батарейку.

Уодл оптимістично заявляє: "У той час як проект знаходиться у початковій стадії, він має потенціал, щоб забезпечити необмежене постачання екологічно чистої енергії, не покладаючись на викопне паливо". Уодл "скромно" уподібнює цей винахід самому відкриттю електрики. "Є величезне, невичерпне джерело енергії буквально навколо нас", - говорить він про дерева.

Розробники пристрою зараз зайняті патентуванням і пошуком інвесторів, які допомогли б довести винахід до стану, придатного до практичного масового застосування.

...