Развитие нашей цивилизации сопровождается увеличением потребностей человечества в энергии. При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.

В настоящее время известны следующие виды возобновляемых источников энергии:

Солнечная энергетика. Ветроэнергетика. Биомассовая энергетика. Волновая энергетика. Градиент-температурная энергетика. Энергия градиент-солёности. Энергия эффекта запоминания формы. Приливная энергетика. Геотермальная энергетика. Микро-ГЭС (микрогидроэнергетика).

Рассмотрим наиболее перспективные в настоящее время альтернативные источники энергии.

Энергия ветра

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схеме рис.1. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места. В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рис. 6.1.1. Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры. Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Рис.1. Схема общей циркуляции земной атмосферы.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу –

на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом

континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами. Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата. Энергия ветра огромна, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляет 170 трлн. кВт*ч в год. Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение.

История создания ветрогенераторов

Первый ветрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году. В России в начале 20 века Н.Е. Жуковским была разработана теория ветряного двигателя, которую его ученики расширили и довели до практического использования. В первой половине столетия ветроэнергетика стремительно развивается во всем мире. С 1929 по 1936 года в СССР разрабатываются установки мощностью 1000 кВт и 10000 кВт. Эти установки планировались для работы на сеть. В 1933 году в Крыму устанавливается ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром колеса 30 м. Развитие этого направления достигло своего пика, когда в 1957 году была изготовлена ветряная турбина мощностью 200 квт. Но вскоре их вытеснили мегаватные станции, работающие на традиционном топливе. В течение Второй Мировой войны датская машиностоительная компания F.L.Smidt построила двух- и трехлопастные ветряные турбины. Эти машины генерировали постоянный ток. Трехлопастной аппарат с острова Водо, построенный в 1942 году, был частью ветро-дизельной системы, которая обеспечивала электроснабжение островаБолее тысячи ветротурбин было поставлено в Palm Springs (Калифорния) в начале восьмидесятых. Дания в настоящее время имеет приблизительно 2000 мегаватт ветряной энергии и около 6000 действующих ветряных турбин. 80% этих турбин принадлежат частным лицам или местным кооперативам. Самая большая в мире «ветряная ферма» находится в Дании, город Middelgrunden (на фото вверху). Она состоит из 20 турбин Bonus 2 МВт, общая мощность которых составляет 40 мегаватт.

Пионеры ветроэнергетики Современная ветроэнергетическая установка 1940 – 1950 г.

Элементы ветроэнергетической установки

Автономная ветроэнергетическая установка конструктивно состоит из ветроголовки, установленной на мачте, зарядного устройства, аккумуляторной станции, инвертора (преобразователя тока). Ветроэлектростанции могут использоваться как самостоятельно, так и в составе смешанных систем: ветро-солнечных (на рисунке) или ветро-дизельных.

В Дании – самой передовой стране в ветроэнергетике – использование энергии ветров покрывает лишь 6 процентов от общего потребления электроэнергии. Планируется повысить этот показатель до 10 процентов к 2010 году, а потом довести до теоретически возможных 20 процентов. Но это предел на сегодняшнем уровне развития ветроэнергетики, хотя никто не знает, что станет возможным завтра. Кроме того, на Западе практикуется подключение к сети ветрогенераторов индивидуальных владельцев.

Экономические аспекты использования энергии ветра

Возможности быстрого развития ветроэнергетики в условиях недостатка бюджетных средств демонстрирует в последние годы Индия. В 2000 году она вышла на пятое место в мире, обогнав Нидерланды, Италию, Великобританию. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии от ВЭС в ряде индийских штатов снизилась до 5-6 цент/кВт•ч. Правительство Индии планирует увеличить долю вырабатываемой энергии от ВЭС в 2010 году до 5 %, а в 2020 году — до 10 %. В России тоже есть опыт установки сетевых ветрогенераторов, в Калмыкии, за Уралом, на Дальнем Востоке, но не очень удачный. При установке промышленного ветряка проводятся исследования – мониторинг ветров, для правильного определения места размещения и модели ветроустановки.. Это подчас в расчет не берется. Сейчас РАО ЕС проводит эксперимент в Калининградской области. На средства гранта правительства Дании там установлено 20 ветряков общей мощностью 5,1 мВт. Планируется увеличить их количество, расположив ВЭС на шельфе Балтийского моря.

Недостатки ветровых энергоустановок

Основным недостатком ветроэлектростанций, на сегодняшний день, является их высокая стоимость, которая определяет высокую цену1 кВт\ч электроэнергии, полученной от ветрогенератора. Другим немаловажным минусом является то, что ни одна система альтернативной энергетики не может гарантировать постоянного электроснабжения. Даже если присоединить к ветряку аккумуляторную станцию, она не застрахует нас от штиля задержавшегося на несколько дней. С экологической точки зрения, чистая энергия ветра не такая уж и чистая. Ветрогенератор это все-таки машина, имеющая свои плюсы и минусы. Ветряки, особенно промышленные, большой мощности, шумят, создают низкочастотные колебания, мешают полетам птиц, а также отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Объёмы использования энергии ветра

Объемы используемой энергии ветра (мегаватты)
Европа На начало 2003 г.
Германия	8753 12001
Испания	3335 4830
Дания	2556 2889
Италия	697 785
Голландия	483 686
Великобритания	485 552
Шведция	280 328
Греция	272 302
Португалия	127 194
Франция	85 147
Австрия	95 139
Ирландия	125 137
Норвегия	17 97
Польша	28 58
Бельгия	31 46
Украина	40 44
Финляндия	39 41
Латвия	1 23
Турция	19 19
Люксембург	15 16
Россия	5 7
Швейцария	5 5
Эстония	0 5
Чехословакия	5 3
Венгрия	1 2
Румыния	1 1
Всего	17,500 23,357
Северная Америка
США	4245 4645
Канада	207 236
Всего	4452 4881
Азия
Индия	1507 1702
Китай	399 468
Южная Корея	8 8
Шри Ланка	3 3
Тайвань	3 3
Всего	1920 2184
Латинская Америка
Коста-Рика	51 71
Бразилия	20 22
Аргентина	24 26
Мексика	5 5
Чили	2 2
Всего	102 126
Тихоокеанский регион
Япония	300 384
Австралия	73 103
Новая Зеландия	37 37
Всего	410 524
Средний Восток и Африка
Египет	69 69
Марокко	54 54
Иран	11 11
Израиль	8 8
Иордан	2 2
Всего	144 144

Энергия солнца

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м . Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км ! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км , требует примерно 10 тонн алюминия. Доказанные на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17 10 тонн

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Итоги 2005 года

В 2005 (по данным компании Solarbazz) установленные мощности солнечной энергетики выросли на 1460 МВт, что на 34 % больше, чем в 2004. Установленные мощности Германии выросли на 837 МВТ. В Японии установленные мощности выросли на 292 МВт.,что на 14 % больше 2004 года.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 году:

Германия — 57 %
Япония — 20 %
Остальной мир — 10 %
США — 7 %
Остальная Европа — 6 %

Всего за 2005 год установлено 1460 МВт.

Доля стран в суммарных установленных мощностях (2004 год):

Германия — 39 %
Япония — 30 %
Остальной мир — 14 %
США — 9 %
Остальная Европа — 8 %

Производство фотоэлектрических элементов в мире выросло с 1146 МВт. в 2004 г. до 1656 МВт. в 2005 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 46 % мирового рынка. Япония увеличила производство на 38 %. В Европе производится 28 %. Три крупнейшие компании в Европе — германские: Q-Cells, Schott Solar и Sunway. В США было произведено 156 МВт. фотоэлектрических элементов, что составляет 10,6 % мирового производства.

В 2005 году установленные мощности выросли на 39 %, и достигли 5 ГигаВт. Инвестиции в 2005 году в строительство новых заводов по производству фотоэлектрических элементов составили $1 млрд.

Несмотря на 12 % рост мощностей по производству кремния, стоимость кремния выросла на 25 %. Из-за дефицита кремния производство фотоэлектрических элементов в 2006 году вырастет всего на 10 %.

К 2010 году установки фотоэлектрических элементов достигнут 3,2-3,9 ГигаВт. в год. Выручка производителей составит $18,6 -$23,1 млрд. в год.

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт.

Японские фирмы в 2004 г. произвели 48 % оборудования, США 11 %. В 2000 году американские фирмы занимали 26 % мирового рынка. 4 компании занимают около 50 % мирового рынка солнечных элементов и батарей: Sharp, Kyocera, BP Solar, и Shell Solar. В 2005 году Sharp увеличил производство на 32 %, Kyocera на 35 %. Sanyo произвела за 2005 год 105 МВт. фотоэлектрических элементов, и переместилась с 7-го места в мире на 4-е.

Когда установленные мощности фотоэлектрических элементов во всём мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой падает на 20 %-30 %.

Энергия океана

Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс

планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м). Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения

(λ >10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° с.ш. до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями [2.9]: длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %;

передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испаре-

ние 54 %.

За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энер-

гия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с.

ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш.

вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности

океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и

около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.

Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане

и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %;

расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии

рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно

0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образова-

ние продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.

Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей

из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков

те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно

трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различ-

ных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в тре-

буемые для хозяйственной деятельности виды энергии.

Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) вы-

полнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей раз-

личных океанических источников энергии за пять лет – с 1977 по 1982 г. Со-

ответствующие данные приведены на диаграммах рис. 2, на которых от-

мечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихо-

ван). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и

экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использо-

ванию энергии оказались ниже.

Рис.2. Распределение океанских источников энергии по мощности (пра-

вые столбцы – по оценкам 1977 г. [1.89], левые – по оценкам 1982 г. [1.81]).

Огромные количества энергии можно получить от морских волн.

Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квад-

рату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют

длиннопериодные (T ≈10 с) волны большой амплитуды (a ≈2м), позволяю-

щие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.

Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывает-

ся для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий

тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превы-

шает величину половины длины волны λ /2.

Преобразование энергии волн.

В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на раз-

работке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, назван-

ной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобра-

зователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает мак-

симальное извлечение мощности (рис.3).

Рис.3. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б –

вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилинд-

рическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 –

асимметричный поплавок.

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндриче-

ская форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распро-

странения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может

быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить

минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную

часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой

эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждаю-

щих колебаний (рис.4).

Рис.4. Эффективность «утки Солтера» (диаметр 15 м, ось зафиксиро-

вана).

Геотермальная энергия

- в дословном переводе значит : земли тепловая энергия.

Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры , имеет очень высокую температуру. Если учесть ещё и теплоёмкость пород Земли, то станет ясно , что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы ( островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы) Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено. Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. "Стоимость топлива" такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых ( то есть, с температурой гораздо выше 100oС ) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с

геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи,

когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м.

Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На

глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура

доходит до 150-200 °С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерза-

нии верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной

мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород дос-

тигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8

тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая сту-

пень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях терри-

тории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая:

500 м – не выше 20° С, 1 тыс. м – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60° С; 3-4 тыс. м –

до 100° С и более.

Подземные термальные воды (гидротермы)

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий

энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних

геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в по-

родах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях ман-

тии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при темпера-

туре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.

На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазово-

сти, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.

В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, завися-

щей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород,

содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре

следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной

оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару толь-

ко на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная

оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не толь-

ко горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с

температурой 180-200° С и выше.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обуслов-

ливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температу-

рой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитер-

мальные, мезотермальные и гипотермальные.

К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей во-

ды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных по-

род, куда проникают почвенные воды.

К мезотермальным источникам относят источники с температурой

воды 100-200 °С.

В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превы-

шает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.

Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью

тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в

пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепло-

вым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.

Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника

лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический рас-

плав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с

газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холод-

ные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсиро-

ваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов

– так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного)

типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые

никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом

смысле слова являются первичными, новообразованными_______. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и

океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-

только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых

платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды ин-

фильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от

магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее

движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод

этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхност-

ные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти

воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути

движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы,

нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они

становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических усло-

виях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с тем-

пературой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м.

Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в

виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на

поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более

низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода остава-

лась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быст-

ро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гид-

ротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам.

Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быст-

рый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до

100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателя-

ми и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.

Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже

говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком счи-

тать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает,

что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное

инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип

гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые

фумаролы.

Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший

химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ульт-

рапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов

(более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные

газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомар-

ный водород, и малоактивные – азот, метан, водород.

В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все

виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пре-

сные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые

воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.

Запасы и распространение термальных вод

К областям распространения месторождений термальных вод относят-

ся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый

пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, плат-

форменные погружения и предгорные краевые прогибы (рис.5).

По своему происхождению месторождения термальных вод можно

подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энер-

гии.

Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного про-

исхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на

дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно

потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но

и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день

все геотермальные электростанции работают в районах современного вулка-

низма.

Рис. 5. Области производства геотермальной энергии в системе третич-

ных орогенических поясов (заштриховано): 1 – Калифорния; 2 – Серро Прие-

то; 3 – Мексика, Идальго; 4 – Сан-Сальвадор; 5 – Чили, Атакама; 6 – Ислан-

дия; 7 –Араак-Лак; 8 – Лардерелло, Монте-Амиата; 9 – Венгерский бассейн;

10 – Айдин-Денизли; 11 – Кавказ; 12 – Суматра; 13 – Ява; 14 – Новая

Гвинея; 15 – Новая Британия; 16 – Фиджи, Новые Гебриды; 17 – Вайракей,

Вайотапу; 18 – Филиппины; 19 – Япония; 20 – Камчатка.

К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротер-

мальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся ак-

тивным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермически-

ми градиентами – 45-70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термо-

аномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например,

Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от

северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глу-

бины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот

флюид выходит при высоком давлении.)

Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобла-

дающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубо-

ких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в

невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим

градиентом – 30-33 °С/км.

Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни под-

земных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в не-

сколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бас-

сейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, со-

держат воду с температурой 100-150° С на глубине 3-4 км.

Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте

предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горооб-

разования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассей-

ны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-

Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов де-

монстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (пить-

евых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлече-

ния ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (ле-

чебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в преде-

лах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что

термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее перспек-

тивными для комплексного использования в практических целях.

Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся дан-

ных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих

водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных

пород. Запасы термальных вод представляют собой общее количество выяв-

ленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных гори-

зонтов, имеющих температуру 40-200° С, минерализацию до 35 г/л и глубину

залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности.

С развитием глубокого бурения на 10-15 км открываются многообе-

щающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На

таких глубинах в некоторых районах страны ( исключая вулканические) тем-

пература вод может достигнуть 350° С и выше.

Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента(Балтий-

ский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения

(Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных

вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины

осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С

на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах.

К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, не-

сомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагре-

тость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их зале-

гания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разло-

мам в земной коре.

Таким образом, температура пород, а следовательно, и вод находится в

зависимости от глубины залегания и от района, который характеризуется

большей или. меньшей геотермической активностью.

Экология и нетрадиционные источники энергии

В комплексе существующих экологических проблем энергетика зани-

мает одно из ведущих мест. В связи с интенсивным вовлечением возобнов-

ляемых источников энергии в практическое использование особое внимание

обращается на экологический аспект их воздействия на окружающую среду.

Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные станции являются еще недостаточно изученными объекта-

ми, поэтому отнесение их к экологически чистым электростанциям нельзя

назвать полностью обоснованным. Солнечные станции являются достаточно землеемкими. В случае создания СЭС с солнечными прудами удельная землеёмкость повысится и увеличится опасность загрязнения подземных вод рассолами.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения

земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, раститель-

ности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения

станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного

излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит

к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некото-

рых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих кон-

центраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение

низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетиче-

ских системах во время длительной эксплуатации могут привести к значи-

тельному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жид-

кости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными ве-

ществами.

Космические СЭС за счет СВЧ-излучения могут оказывать влияние на

климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищен-

ные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необхо-

димо использовать экологически чистый диапазон волн для передачи энер-

гии на Землю.

Неблагоприятные воздействия солнечной энергии на окружающую

среду могут проявляться:

− в отчуждении земельных площадей, их возможной деградации;

− в большой материалоемкости;

− в возможности утечки рабочих жидкостей, содержащих хлораты и

нитриты;

− в опасности перегрева и возгорания систем, заражения продуктов ток-

сичными веществами при использовании солнечных систем в сельском

хозяйстве;

− в изменении теплового баланса, влажности, направления ветра в рай-

оне расположения станции;

− в затемнении больших территорий солнечными концентраторами, воз-

можной деградации земель;

− в воздействии на климат космических СЭС;

− в создании помех телевизионной и радиосвязи;

− в передаче энергии на Землю в виде микроволнового излучения, опас-

ного для живых организмов и человека.

Влияние ветроэнергетики на природную среду

Факторы воздействия ВЭС на природную среду, а также последствия

этого влияния и основные мероприятия по снижению и устранению отрица-

тельных проявлений приведены в табл. 6

Таблица 6

Неблагоприятные факторы ветроэнергетики:

− шумовые воздействия, электро-, радио- и телевизионные помехи;

− отчуждение земельных площадей;

− локальные климатические изменения;

− опасность для мигрирующих птиц и насекомых;

− ландшафтная несовместимость, непривлекательность, визуальное не-

восприятие, дискомфортность;

− изменение традиционных морских перевозок, неблагоприятные воз-

действия на морских животных.

Возможные экологические проявления геотермальной энергетики

Основное воздействие на окружающую среду геотермальные электро-

станции оказывают в период разработки месторождения, строительства па-

ропроводов и здания станций, но оно обычно ограничено районом месторож-

дения.

Потенциальными последствиями геотермальных разработок являются

оседание почвы и сейсмические эффекты. Оседание возможно всюду, где

нижележащие слои перестают поддерживать верхние слои почвы и выража-

ется в снижении дебитов термальных источников и гейзеров и даже полном

их исчезновении. Так, при эксплуатации месторождения Вайрокей (США) с

1954 по 1970 гг. поверхность земли просела почти на 4 м, а площадь зоны, на

которой произошло оседание грунта, составила около 70 км2, продолжая

ежегодно увеличиваться.

Высокая сейсмическая активность является одним из признаков близо-

сти геотермальных месторождений, и этот признак используется при поисках

ресурсов. Однако интенсивность землетрясений в зоне термальных явлений,

вызванных вулканической деятельностью, обычно значительно меньше ин-

тенсивности землетрясений, вызванных крупными смещениями земной коры

по разломам. Поэтому нет оснований считать, что разработка геотермальных

ресурсов увеличивает сейсмическую активность.

На ГеоТЭС не происходит сжигания топлива, поэтому объем отрав-

ляющих газов, выбрасываемых в атмосферу, значительно меньше, чем на

ТЭС, и они имеют другой химический состав по сравнению с газообразными

отходами станций на органическом топливе.

Одно из неблагоприятных проявлений ГеоТЭС – загрязнение поверх-

ностных и грунтовых вод в случае выброса растворов высокой концентрации

при бурении скважин. Сброс отработанных термальных вод может вызвать

заболачивание отдельных участков почвы в условиях влажного климата, а в

засушливых районах – засоление. Опасен прорыв трубопроводов, в результа-

те которого на землю могут поступить большие количества рассолов.

Неблагоприятные экологические воздействия геотермальной энерге-

тики на эколгию:

− отчуждение земель;

− изменение уровня грунтовых вод, оседание почвы, заболачивание;

− подвижки земной коры, повышение сейсмической активности;

− выбросы газов (метан, водород, азот, аммиак, сероводород) ;

− выброс тепла в атмосферу или в поверхностные воды;

− сброс отравленных вод и конденсата, загрязненных в небольших коли-

чествах аммиаком, ртутью, кремнеземом;

− загрязнение подземных вод и водоносных слоев, засоление почв;

− выбросы больших количеств рассолов при разрыве трубопроводов.

Экологические последствия использования энергии океана

При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы

определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем.

К отрицательным последствиям работы установок, использующих тер-

мальную энергию океана, можно отнести возможные утечки в океан аммиа-

ка, пропана или фреона, а также веществ, применяемых для промывки тепло-

обменников (хлор и др.). Возможно значительное выделение углекислого га-

за из поднимаемых на поверхность холодных глубинных вод из-за снижения

в них парциального давления СО2 и повышения температуры.

Строительство ПЭС сказывается неблагоприятно на состоянии при-

брежных земель, самого побережья и аквальной вдольбереговой полосы: из-

меняются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование

пляжей и т. д. Изменение движения грунтовых вод влияет на динамику засо-

ления прибрежных земель.

При установке преобразователей вблизи побережья возникают пробле-

мы эстетического характера, так как они видны с берега. Цепочка устройств

типа ныряющих уток Солтера длиной в несколько километров выглядит эс-

тетически менее привлекательно, чем группа продуманно размещенных от-

дельно стоящих преобразователей энергии. Кроме того, непрерывная линия

преобразователей в отличие от отдельно расположенных установок может

стать препятствием для навигации и оказаться опасной для судов во время

сильных штормов.

Один из важных вопросов влияния на окружающую среду преобразо-

вания энергии волн в прибрежной зоне – это воздействие на процессы в ее

пределах. Вещества, перемещаемые волнами, называются прибрежными на-

носами. Движение их необходимо для стабилизации береговой полосы, т. е.

баланса между эрозией и отложениями. В связи с этим цепь из преобразова-

телей энергии волн целесообразно устанавливать в местах намечаемых вол-

ноломов, чтобы они выполняли двойную функцию: использование энергии

волн и защиту побережья.

Неблагоприятные экологические последствия в гидротермальной

энергетике:

− утечки в океан аммиака, фреона, хлора и др.;

− выделение СО2 из воды;

− изменение циркуляции вод, появление региональных и биологи-

ческих аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых

возмущений;

− изменение климата.

Неблагоприятные экологические последствия в приливной энергети-

ке:

− периодическое затопление прибрежных территорий, изменение земле-

пользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории;

− строительное замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных

вод.

Неблагоприятные экологические последствия в волновой энергетике:

− эрозия побережья, смена движения прибрежных песков;

− значительная материалоемкость;

− изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов;

− загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные сбросы.

Заключение

Рост потребления энергии в современном мире привел к ускоренному загрязнению окружающей среды. Это послужило толчком к началу поиска альтернативных источников энергии. Человечество научилось использовать энергию солнца, ветра, земли, океанов, но, к сожалению, ни один из этих источников энергии не обладает свойством экологической «чистоты». Плюс к этому, все нетрадиционные источники энергии обладают географической специфичностью. Энергию приливов мы можем получать в основном на океанских побережьях, энергия ветра может быть использована только в регионах с повышенной ветровой нагрузкой, солнечную - только в тропической и субтропической зонах Земли. Кроме того, использование нетрадиционных источников энергии сдерживается невысоким КПД установок. На мой взгляд, прорыв в области нетрадиционных источников энергии возможен только при одновременном сочетании двух действующих факторов: сохранение высоких темпов мировой экономики и сохранение высоких цен на первичные источники энергии и как следствие исчерпание традиционных источников энергии.

Данная тема вызвала мой интерес в силу того, что решение проблемы с энергообеспечением человечества является одной из основных проблем в новом тысячелетии. Также я считаю, что существующий у нас потребительский подход к природе не позволит достичь нам устойчивого развития даже при решении проблем с использованием альтернативных источников энергии. Какую бы энергию мы не использовали, мы нарушаем существующий в природе баланс. Поэтому я думаю, что настоящий прорыв может быть достигнут только на пути гармоничного существования человека в окружающей среде, который безусловно предполагает в качестве общепринятой нормы принцип разумного самоограничения потребительской активности человечества.

Список литературы

1. Дворов И.М. Геотермальная энергетика. – М.: Наука, 1976. – 192 с.

2. http://www.mtu-net.ru/lge/ – Лаборатория геотермальной энергетики ЭНИН

им.Кржижановского РАО ЕЭС «России».

3. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. – Л.: Судостроение, 1986.

– 280 с.

4. Волновые энергетические станции в океане / В.И. Сичкарев, В.А. Акули-

чев. – М.: Наука, 1989. – 132 с.

5. http://acre.murdoch.edu.au/ – The Australian Renewable Energy Website.

6. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.:

О-во «Знание», 1988.

7. Калашников Н.П. Альтернативные источники энергии. - М.: О-во «Зна-

ние», 1987.

8. Калинин Ю.Я., Дубинин А.Б. Нетрадиционные способы получения энер-

гии. - Саратов: СПИ, 1983. - 70 с.

9. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. - М.: Изд-во МЭИ, 2000.

10. Марочек В.И., Соловьев С.П. Пасынки энергетики. - М.: Знание, 1981.

11. Нетрадиционные источники энергии. - М. МЭИ, 1983.

12. Нетрадиционные источники энергии. - М. Знание, 1985. - 95 с.

13. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющих-

ся энергоисточников. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1991. 343 с.

14. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. – М.: ОГИЗ–Сельхозгиз,

1948. – 544 с.

15. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические

агрегаты. – М.: Колос, 1967. – 376 с.

Курсовая: Нетрадиционные источники в Крыму В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Ведется бурная дискуссия о выборе путей развития энергетики. Это связано, прежде всего, с растущей необходимостью охраны окружающей среды.

Реферат Энергетика мира Современное общество к концу ХХ века столкнулось с энергетическими проблемами, которые приводили известной степени даже к кризисам. Человечество старается найти новые источники энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: простота добычи, дешевизна транспортировки, экологическая чистота, восполняемость.

Реферат Могут ли восстанавливаемые виды энергии полностью заменить фоссильные топлива? ТЕМА: Могут ли восстанавливаемые виды энергии полностью заменить фоссильные топлива? В настоящее время проблема охраны природы и рационального использования её ресурсов приобрела огромное мировое значение. Человек осознает, что настало время позаботиться и о природе: она не может всё время отдавать, она не способна вынести нагрузки, которые от неё требует человек.

Реферат Экологические проблемы энергетики Существует образное выражение, что мы живем в эпоху трех «Э»: экономика, энергетика, экология. При этом экология как наука и образ мышления привлекает все более и более пристальное внимание человечества. Экологию рассматривают как науку и учебную дисциплину, которая призвана изучать взаимоотношения организмов и среды во всем их разнообразии.

Доклад: Альтернативные источники энергии Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с. Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 215 с. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с. Кириллин В. А. Энергетика.

Реферат Исследование аспектов применения атомной энергии для решения проблем энергоснабжения районов Крайнего Севера - экономическая ситуация северных районов России, необходимость эффективного электроснабжения; - сложности на пути развития; возможные и наиболее перспективные способы преодоления возникающих проблем; - биологическое воздействие излучения на клетки высших млекопитающих организмов; По мере развития человечества дальнейший технический прогресс требует все больших затрат энергии.

Реферат Экология и энергетика: друзья или враги? Прошлым летом в Москве случился энергокризис и на два дня была практически парализована жизнь большей части мегаполиса. Все произошло «всего лишь» из-за высокой степени износа оборудования. Конечно, меня очень взволновала эта проблема и я решил посмотреть на нее и с экологической точки зрения.

Реферат Использование морских - возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии Тема: Использование морских возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии О важности более широкого использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в XXI веке вряд ли кого-то надо убеждать. Всем ясно, что основные невозобновляемые энергоресурсы, раньше или позже, исчерпаются. По одним прогнозам угля хватит на 1500 лет, нефти — на 250, газа — на 120 лет.

Реферат Альтернативные виды энергии ВСТУПЛЕНИЕ На пороге ХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одни

Реферат Энергия земли Оглавление TOC \o "1-1" Оглавление.............................................................................. PAGEREF _Toc441114242 \h 1 1.Вступление........................................................................... PAGEREF _Toc441114243 \h

nreferat.ru

Нетрадиционные источники энергии | Рефераты KM.RU

Нетрадиционные источники энергии

Реферат ученицы 10 класса школы при Посольстве РФ в Великобритании

Баженовой Ксении

г. Лондон, 2000 г.

Введение

Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил. Её соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста. Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства. Она должна быть надежна и с расчетом на отдаленную перспективу. Энергетический кризис 1973-1974 гг. в капиталистических странах продемонстрировал, что этого трудно теперь достичь, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, альтернативные источники энергии. К ним относят солнечную, геотермальную и ветровую энергию, а также энергию биомассы, океана и пр. Относят к ним обычно и атомную энергию. Однако на нынешнем этапе развития атомном энергетики это представляется условным.

В отличие от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Основной фактор при оценке целесообразности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии.

Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым терминов «экоэнергетика», под которым подразумеваются любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды.

Солнечная энергия

Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м 2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80 – 130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130 – 210, а в пустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м 2. Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м 2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км 2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн.

Из вышеизложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают.

Солнечную радиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или электрическую энергию, удобную для практического применения. В южных районах нашей страны созданы десятки солнечных установок и систем. Они осуществляют горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и др.

С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

С начала 50-х годов в нашей стране космические летательные аппараты используют в качестве основного источника энергопитания солнечные батареи, которые непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью.

Продолжается изучение возможностей более широкого использования гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для энерго- и теплоснабжения, «солнечные» крыши на автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельских районах и т.д.

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.

Энергия ветра

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.

По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

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.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Геотермальная энергия

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты.

Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).

Энергия Мирового океана

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его получением, истощение топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызывали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов уже действовали первые промышленные установки, а также велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т.д.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

Растет интерес специалистов к приливным колебаниям уровня океана у побережий материков. Энергию приливов на протяжении веков человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР.

Приливная энергия постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.

Тем не менее ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по некоторым оценкам только 2%.При определении технических возможностей большую роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина воды, морские течения и ветер. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Но подобных мест на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.

При оценке экономических выгод строительства ПЭС также нужно учитывать, что наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного пояса. Многие из этих побережий расположены в необжитых местах, на большом удалении от главных районов расселения и экономической активности, следовательно, и потребления электроэнергии. Нужно учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует особенно больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических проблемах.

Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди, представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мен. Длина его 300 км при ширине 90 км, глубина у входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у берегов Канадского арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики примерно такие же приливы наблюдаются в проливе Ла-Манш у берегов Франции, в Бристольском заливе и Ирландском море у берегов Англии и Ирландии.

Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части особенно выделяется Охотское море, где в Тугурском и Пенжинском заливах высота приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются и у побережий Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье Тихого океана благоприятные условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.

В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно называются залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье Австралии.

Несмотря на такие, казалось бы весьма благоприятные, природные предпосылки, строительство ПЭС пока имеет довольно ограниченные масштабы. По существу реально можно говорить лишь о более или менее крупной промышленной ПЭС «Ранс» во Франции, об опытной Кислогубской ПЭС на Кольском полуострове(Россия) и канадско-американской ПЭС в заливе Фанди.

При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать их экологическое воздействие на окружающую среду. Оно довольно велико. В районах сооружения крупных ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в акватории станции, что может серьёзно сказаться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому центральному электроэнергетическому управлению.

Впервые идею использования энергии разности температур поверхностных и глубинных слоев воды Мирового океана предложил французский ученый д'Арсонвиль в 1881 году, но первые разработки начались лишь в 1973 году. Энергию разности температур различных слоев Мирового океана оценивают в 20-40 трлн. кВт. Из них практически могут быть использованы лишь 4 трлн. кВт.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем поступает в следующий теплообменник для охлаждения и конденсации водой с температурой 5-6 °С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды – более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций – их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28° С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5° С.

В океане, который составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии – энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента и др., и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие её форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не затрагивает окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух, образуя ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в тоже время меняют свое направление под воздействие вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системой Земля-Луна и вызывают приливы и отливы. Океан – это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии.

Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений , трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Заключение

Неоспоримая роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж; в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник бал исчерпан.

Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т.д, В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.

Список литературы

Аугусто Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. Оксфорд-пресс.1983 г.

Гончар В.И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в Энергетической программе СССР – География в школе. 4/90 – М.: Педагогика, 1990 г.

Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии – География в школе. 4/88 – М.: Педагогика. 1988 г.

Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981.

Максаковский В.П. Географическая карта мира. Часть первая. - М.: 1996 г.

Максаковский В.П. Географическая карта мира. Часть третья. - М.: 1996 г.

Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И. - М.: Энергоатомиздат. 1995 г.

Дата добавления: 24.05.2003

www.km.ru

Курсовая работа - Нетрадиционные источники энергии

Школа №640 Приморского района

Реферат

Нетрадиционные источники энергии

Выполнила ученица 11«Б» класса

Екабсон Валерия

Учитель: Игошина Елена Викторовна

Санкт-Петербург

2007

Нефтяной кризис, разразившийся в 1973 году и затронувший страны запада, а также возникшее общественное движение «зелёных», активно выступавших против загрязнения воздуха и окружающей природы продуктами горения топлива, стали мощным стимулом развития таких нетрадиционных источников энергии, как ветровая, солнечная, геотермальная, энергия приливов и отливов.

Из возобновляемых ресурсов именно ветер оказался самым дешёвым: стоимость одного киловатт-часа электроэнергии, получаемой в Западной Европе из ветроэнергетических установок (ВЭУ) в пять раз дешевле электричества, которое дают солнечные батареи.

Использовать ветер на суше люди научились с давних времён. В средние века ветряные мельницы были неотъемлемой частью сельского пейзажа. Крылья мельницы, приводимые в движение ветром, передавали полученную энергию жерновам, а те, вращаясь, перемалывали зерно в муку. Самый старый ветряк из сохранившихся – мельница близ нидерландского города Зеддам, построенная в середине XV века. А в 1738 году в тех же Нидерландах построили ветряную мельницу с размахом крыльев в 29 метров. Между тем в Азии ветряные двигатели возникли намного раньше, чем в Европе. В Китае в 3000 году до нашей эры уже работал ветряной двигатель. Он приводил в движение насос, подававший воду для орошения рисовых полей.

Конечно, современные ветряки отличаются от средневековых. Но и у тех, и у других есть один общий элемент: колесо с лопастями. Оно располагается обычно на высоте от 60 до 100 метров. Самая же высокая башня с ветряком построена в Германии, под Магдебургом. Её высота составляет 135 метров. Верхняя часть современной ветроэнергетической установки представляет собой вращающуюся гондолу, которая сама разворачивается навстречу ветру. Набегающий поток ветра давит на лопасти и заставляет вращаться колесо ветряка. Через редуктор (систему передач) вал колеса соединяется с валом электрогенератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Минимальная скорость ветра, достаточная для того, чтобы колесо начало вращаться, – от 3 до 5 метров в секунду. Территории, на которых установлены десятки ветряков, называются ветропарками. Ветропарки нередко размещают на материковых отмелях (шельфах), так как на море скорость ветра больше.

В 1980-х годах вблизи датского города Ульфборг была построена ветроэнергетическая станция «Ивинд» мощностью 1 мегаватт. Теперь вокруг башни «Ивинд» вырос целый лес ветроэнергетических установок. Уже к 2030 году Дания планирует получать половину всего необходимого стране электричества с помощью ветра. А пока мировым лидером по освоению ветроэнергетики является Германия. Что же касается России, то здесь её достижения скромны. Богатейшие залежи нефти, газа и угля не подстёгивают нас к освоению этого экологически чистого производства электроэнергии, хотя в пределах России условия для развития ветроэнергетики очень благоприятны.

Специалисты по альтернативным видам энергии стран Европейского Союза строят грандиозные планы на будущее. Они обращают свой взор на Северную Африку. По их мнению, на бросовых, никому не нужных пустынных землях Марокко и Мавритании, где почти непрестанно дует бриз с Атлантического океана, можно соорудить гигантский каскад ветроэнергетических установок. Как показали расчёты, мощности такого колоссального ветропарка вполне хватит для обеспечения нужд в электроэнергии всей Европы. Но для этого потребуется создание уникальной межконтинентальной высоковольтной линии электропередачи протяжённостью в 1300 километров. Задача эта не простая, так как линии электропередачи предстоит «перешагнуть» через Гибралтарский пролив. Одновременно предполагается дальнейшее строительство ветропарков вдоль северо-западного европейского побережья.

Учёные сделали интересный прогноз: если даже население Земли достигнет 20 миллиардов человек, то и тогда ещё останется необжитой большая территория пустынь площадью 10 миллионов квадратных километров. А ведь именно эти непригодные для сельскохозяйственных угодий пространства как нельзя лучше подходят для строительства солнечных электростанций. Активных пропагандистов по внедрению гелиоэнергетики в мире предостаточно. Так, в Германии группой сотрудников Берлинского научного центра Адлерскоф разработан «Солнечный проект». Его реализация предполагает к 2020 году довести мощность солнечных электростанций до 30 гигаватт, удовлетворив тем самым потребность 10 миллионов семей в электроэнергии и тепле.

Гелиоэнергетику считают самой чистой, так как её использование не грозит никакими вредными выбросами в атмосферу. Однако её распространению до сих пор мешают высокие затраты. Цена фотоэлектрического преобразователя площадью всего лишь один квадратный сантиметр составляет несколько долларов США. И эта дороговизна вызвана чрезвычайно высокими требованиями к химической чистоте полупроводниковых материалов.

В основе преобразования солнечных лучей в электрический ток лежит фотоэффект. Когда солнечный свет попадает на фотоэлемент, состоящий из полупроводникового материала (селена или кремния), то под воздействием фотонов – мельчайших частиц света – электроны покидают свои атомы, и те становятся носителями положительных зарядов, а «освобождённые» электроны «скучиваются» в области с отрицательным электрическим зарядом. Между двумя зонами с противоположными зарядами возникает электрическое напряжение. Если же к этим зонам подключить проводник, то по нему пойдёт электрический ток. По такому принципу работает большинство солнечных электростанций.

Есть и другой способ, при котором лучистая энергия сначала превращается в теплоту, а лишь потом – в электричество. На высокой башне монтируется длинный жёлоб с трубами. По ним течёт синтетическое масло. Оно нагревается от солнечных лучей, которые исходят от большого количества параболических (вогнутых) зеркал, расположенных вблизи башни. Зеркала постоянно поворачиваются, сопровождая солнце. А горячее масло передаёт своё тепло змеевикам с водой. Вода тоже нагревается, закипает и постепенно превращается в водяной пар, который вращает лопасти турбины электрического генератора.

В настоящее время солнечные батареи вырабатывают незначительную часть общего мирового производства электроэнергии: их совокупная мощность немногим превышает 2 тысячи мегаватт. Чемпионом среди всех стран по количеству солнечных установок для нагрева воды является Япония. Их там функционирует около 4 миллионов. Первое большое здание, снабжённое солнечными генераторами тёплой воды было построено в 1939 году в американском штате Флорида. В Европе первые установки появились в Англии в 1956 году. В 1970-х годах в Симферополе на плоской крыше пятиэтажной гостиницы «Спортивная» были смонтированы коллекторы солнечной установки. Рядом расположили баки-аккумуляторы с водой. Горячая вода накапливалась в таком количестве, что её запасов хватало для удовлетворения всех потребностей гостиницы.

Если солнечные энергетические системы установить в космосе, то они получат в 10 раз больше солнечной энергии, чем в самом жарком и безоблачном месте нашей планеты. Как известно, один из существенных недостатков наземных солнечных установок то, что они простаивают ночью. В космосе же перерыв в работе наступит лишь на время, когда станция будет находиться в тени Земли.

Предполагается, что космические электростанции будут вращаться вокруг Земли подобно искусственным спутникам. Фотоэлектрические элементы будут поглощать падающие на их поверхность солнечные лучи, преобразуя их энергию в электрический ток. С помощью микроволновых генераторов электричество будет преобразовываться в микроволновую энергию, а затем точно направляться на наземные антенны. Подобный проект реален, но для этого потребуются многократные дорогостоящие полёты в космос и космические корабли.

Доля геотермальных ресурсов в топливно-энергетическом балансе некоторых промышленно развитых стран в среднем составляет 5-10%. В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

Идея использовать энергию приливных и отливных морских течений была воплощена в приливных электростанциях (ПЭС). Первая промышленная ПЭС была построена во Франции, в устье реки Ранс в 1966 году. Приливные станции не наносят вред окружающей среде, в отличие от гидроэлектростанций, при сооружении которых затопляются громадные плодородные площади, вырубаются лесные массивы. К тому же ПЭС обладают весьма солидным энергетическим потенциалом. Ускорения, вызываемого приливной силой, вполне достаточно, чтобы привести в движение гигантские, в миллионы тонн, массы воды. В некоторых местах у берегов скорости потоков достигают 4 метров в секунду.

Чтобы заставить работать приливы и отливы, плотиной перекрывают залив или устье впадающей в море реки и образуют тем самым водоём, называемый бассейном ПЭС. Напор воды приводит во вращение гидротурбины и соединённые с ними электрогенераторы, установленные внутри плотины. При всех преимуществах выработки электроэнергии на ПЭС их распространению препятствует дороговизна строительства.

Например, возведение французской ПЭС на Рансе обошлось в два с половиной раза дороже, чем строительство речной ГЭС той же мощности.

Однако в 1968 году в России был применён другой метод сооружения ПЭС, который позволил вполовину снизить стоимость строительства. Отечественными проектировщиками при создании ПЭС в Кислой губе был принят наплавной способ строительства. Наплавной блок здания из железобетона был построен в котловане на берегу Кольского залива, близ Мурманска. После завершения монтажа оборудования и проведения испытания здания на водонепроницаемость, котлован затопили. Здание на плаву вывел в море буксир и перевёз его на расстояние 39 километров в узкое горло Кислой губы. Здесь, во время морского отлива оно было установлено на заранее подготовленное основание. Потом с двух берегов к зданию подвели дамбы, перекрыв тем самым горло губы, и создали бассейн ПЭС. Во всём мире наплавной метод строительства ПЭС известен как «российский».

Плотинные ПЭС – не единственный способ получения энергии из приливов. В Норвегии около города Хаммерфест в проливе Квалсундет скорость течения воды во время прилива достигает двух с половиной метров в секунду. В самом узком месте пролива на глубине 80 метров будут установлены башенные ветряки – «подводные мельницы». При этом учтено, что такое вторжение в морское пространство не помешает передвижению лосося и других обитателей моря. Кроме того, гидродвигатели не создадут никаких помех судоходству. Особенность конструкции подводных ветряков заключается в том, что они могут самостоятельно разворачиваться под водой в сторону наиболее сильного течения и «трудиться» с максимальной эффективностью. После того, как будут смонтированы все 20 агрегатов, их суммарная мощность составит 32 тысячи мегаватт. На сушу электроэнергия будет передаваться с помощью подводных кабелей.

Осенью 2006 года в Северодвинске спущен на воду экспериментальный блок для приливной электростанции, не имеющий аналогов в мире. Агрегат позволит вырабатывать дешёвое и экологически чистое электричество, используя энергию морских приливов и отливов.

Список использованной литературы

1. В.И. Сичкарёв, В.А. Акуличев Волновые энергетические станции в океане. –М.: Наука, 1989. – 132 с.

2. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1988. – 95 с .

3. Проблемы и перспективы развития мировой энергетики. – М.: Знание, 1982. – 48 с.

4. Ф. В. Скалкин и др. Энергетика и окружающая среда. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 280 с.

www.ronl.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..