Возобновляемые источники энергии
Технологии, направленные на использование сил природы для выполнения работы, удовлетворяющей человеческие потребности, столь же стары, как и первое парусное судно. Имеется фундаментальная привлекательность в использовании таких природных сил, которые оберегают окружающую среду от эффектов горения органического топлива. Солнце, ветер, волны, реки, биомасса, потоки геотермальной теплоты земли действуют непрерывно и всегда (отсюда и термин «возобновляемый»). Из всего перечисленного пока только энергия падающей воды в реках получила широкое распространение для преобразования в электроэнергию. Основное применение солнечной энергии, благодаря фотосинтезу, человечество нашло в сельском хозяйстве и лесоводстве, хотя все чаще ее начинают использовать для отопления. Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для получения энергии, увеличивается использование зерна для получения автомобильного топлива. Масштабы использования других видов природной энергии в настоящее время незначительны. Имеются и первостепенные задачи в сегодняшнем использовании возобновляемых источников энергии. Для фотоэлектрических систем, например, это вопрос — как сделать их самовозбуждающимися генераторами электричества. Для использования природной теплоты, — как преобразовать ее в пар или как применить другие способы преобразования энергии.
Если фундаментальное свойство возобновляемости источников энергии состоит в их доступности и относительно широкой распространенности, то фундаментальная проблема в их использовании для производства электроэнергии состоит в их нестабильности и недостаточной предсказуемости. Исключение составляет геотермальная энергия, которая не широко доступна. Это означает, что должны существовать либо дублирующие источники электроэнергии, либо способы ее накопления в больших масштабах. Однако, кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах или сжатого воздуха в резервуарах (см. ниже), в настоящее время никакого другого способа не существует и не просматривается в будущем. Для автономных систем вопросы аккумулирования энергии являются первостепенными. При подключении их к существующим электросетям, возникает вопрос дублирующих источников. В использовании энергии солнца для крупномасштабного и особенно базисного производства электроэнергии имеются небольшие возможности.
Солнечная энергия: «Солнечный — не ядерный» — популярный лозунг представителей анти-ядерного движения в защиту окружающей среды и многих «технологических оптимистов», ратующих за прямое использование солнечного тепла, продолжает еще иногда звучать. Конечно, в будущем, возможно, мы будем видеть большее количество солнечных батарей на крышах домов, поскольку их цена снижается, а мы более рационально используем энергию, что способствует более широкому их распространению. Однако, для генерации электричества солнечная энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она непостоянна и непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к достаточно низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15 процентов. Во-вторых, коэффициент преобразования современными фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16 процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. В Австралии в погожий солнечный день на поверхность земли, ориентированную перпендикулярно к солнечным лучам, попадает до одного килоВатта энергии на квадратный метр. В Канаде эта величина оказывается намного меньшей. На большей части ее территории, на горизонтальную поверхность площадью в один квадратный метр, попадает в среднем не более одного килоВатт часа солнечной энергии в течение дня. В настоящее время внимание сфокусировано на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую. Более всего известен метод, использующий фотоэлементы для генерации электричества. Этот метод имеет большое значение, например, для обеспечения энергией космических аппаратов, оборудования систем связи отдаленных узлов телесети в Австралии и Канаде. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их эффективность и ниже стоимость (на сегодняшний день стоимость фотоэлементов составляет примерно 4000 долларов США на один килоВатт вырабатываемой мощности). Стоимость фотоэлементов все еще слишком высока для бытового использования. Для автономных систем должны обязательно использоваться некоторые способы хранения собранной энергии в течение темного времени суток или облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, в дополнительные стадии превращения энергии необходимо вовлекать процессы с неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров фотоэлементов и увеличения их эффективности. Другое главное направление исследований — разработка экономных способов хранения энергии, которая выработана фотоэлементами в течение светового дня. Солнечная тепловая электростанция имеет систему зеркал для концентрации солнечного света на специальный поглотитель, в котором выделяющееся тепло преобразуется в пар высокого давления и приводит в движение турбины. Концентратор — это обычно параболический отражатель, который ориентируется между севером и югом, прослеживает путь солнца в течение дня. Поглотитель расположен в фокусе этого отражателя и использует солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров земли и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим в течение ночи. В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80 % электроэнергии, полученной от солнца. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее прямом использовании для отопления. Наибольшая энергетическая потребность людей — это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении с температурой не более 60 градусов Цельсия. Более высокие температуры требуются в промышленности (в диапазоне 60 — 110 градусов Цельсия). Эти потребности в совокупности определяют пропорции энергетического потребления в индустриальных странах. Первая потребность же сего дня может быть удовлетворена в некоторых областях за счет использования солнечного света и тепла. Коммерческое использование солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов, по-видимому, будет возможно в недалеком будущем. Практическая реализация такого подхода снизит в некоторой степени потребление электроэнергии, уменьшит расход органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А если использовать тепловые насосы с надлежащей изоляцией, то можно также отапливать (или охлаждать) здания с очень небольшими затратами энергии. В конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании солнечного света и тепла. Это частично уменьшит необходимый уровень базисного производства электроэнергии.
Энергия ветра: В течении многих десятилетий в отдаленных районах используются ветряные турбины для бытовой генерации электричества и подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем 1 МВт теперь функционируют во многих странах. Производимая ветряной турбиной мощность электроэнергии пропорциональна скорости ветра в третьей степени, и многие турбины эффективно работают при скорости ветра приблизительно 7 — 20 метров в секунду (или 25 — 70 км/час). На земном шаре не так много районов, имеющих такие преобладающие ветры. Подобно солнечной энергии, использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай более спокойной и безветренной погоды. В настоящее время ветряные турбины, работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупномасштабным базисным электростанциям. Дания, например, получает 10 % своей электроэнергии от энергии ветра и, находясь в зависимости от импорта электроэнергии, намерена увеличивать эту долю. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные коммерческие модули мощностью более одного МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.
Реки: Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% всей мировой электроэнергии (в Австралии 10%, в Канаде 59 %). Кроме нескольких стран, гидроэлектроэнергия обычно применяется для компенсации пиковых нагрузок, потому что, во-первых, она может быть оперативно подключена к действующим электросетям, а во-вторых, запасы воды ограничены. В любом случае гидроэлектроэнергия не имеет перспектив для использования в будущем, так как большинство географических районов в мире, имеющих возможности для использования потенциальной энергии воды, или уже находятся в эксплуатации или же недоступны по другим причинам (из соображений охраны окружающей среды, например). Преимущество многих гидросистем состоит в их способности компенсировать сезонные (также как и ежедневные) максимальные нагрузки в потреблении электроэнергии. На практике использование запасов воды иногда усложняется запросами на ирригацию, которые могут происходить одновременно с пиковыми нагрузками. В некоторых областях географические условия могут ограничивать использование гидроэлектроэнергии в периоды сезонных дождей. Геотермальное тепло: В тех районах, где горячий подземный пар может достигать поверхности земли, его можно использовать для производства электроэнергии. Такого рода геотермальные источники энергии получили распространение в некоторых частях мира, например, в Новой Зеландии, в США, на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии сегодня вырабатывают до 6000 МВт мощности. Имеются также перспективы в использовании этого метода в других районах путем перекачивания горячей подземной воды в те места, где ее нет.
Приливы: Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). Приливно-отливная вода, движущаяся в обеих направлениях, используется для вращения турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками. В Канаде, например, это залив Фанди между Новой Скоцией и Новым Брансуиком. Во всем мире эта технология имеет незначительный потенциал.
Волны: Использование энергии движения волн может дать гораздо больший эффект, чем приливно-отливная энергия. Возможности практического использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании. Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих платформах или в полостях прибрежных скальных пород. Высокая стоимость требуемых устройств и многочисленные практические проблемы делают такие проекты не реальными.
Биомасса: 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.
Отношение возобновляемых источников энергии к базисному потреблению электроэнергии: Солнце, энергия ветра, приливы и волны не могут заменить использование угля, газа или ядерной энергии, однако они исключительно важны для использования в специфических районах земного шара. По указанным выше причинам перечисленные источники энергии не могут обеспечить базисные потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые нагрузки, когда это необходимо. Практически они могут дать лишь 10 — 20% от общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную энергию. Однако, они могут стать исключительно важными в специфических районах земного шара, где для их использования существуют благоприятные условия. Проблемы воздействия на окружающую среду сотен огромных ветряных турбин, занятые и неиспользуемые обширные территории земли или огромные приливно- отливные заграждения, не говоря уже о новых гидроузлах, являются существенным ограничением в использовании возобновляемых источников энергии. Конечно, такие технологии в некоторой степени внесут свой вклад в будущую мировую энергетику, хотя и не будут нести основной нагрузки на удовлетворение энергетических нужд планеты. Если человечество найдет в будущем способы эффективного хранения электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или ветряных генераторов, вклад этих технологий в удовлетворение базисных энергетических потребностей станет намного значительней. В некоторых местах в течение времени непиковых нагрузок и выходных дней избыточная энергия угольных или ядерных электростанций используется для накопления воды в водохранилищах, которая затем расходуется гидроэлектростанциями для компенсации пиковых нагрузок. К сожалению, не так много мест имеют возможности для строительства подкачиваемых плотин такого рода. Хранение сжатого воздуха в подземных хранилищах используется пока в гораздо меньшей степени. Способы ранения больших количеств электроэнергии в гигантских аккумуляторных батареях пока не разработаны. При рассмотрении энергоснабжения в целом, имеются некоторые возможности для реверсирования (переключения) энергопотоков в развитых странах с их 24-часовыми и 7-дневными циклами для того чтобы удовлетворить ежедневные пиковые нагрузки. Сегодняшнее оборудование для компенсации пиковых нагрузок могло бы использоваться в некоторой степени для снабжения энергией систем, полагающихся в основном на возобновляемые источники энергии. Эти мощности позволили бы дополнить крупномасштабное производство энергии солнечными батареями и ветряными турбинами в моменты, когда они не в состоянии этого делать. Любое реальное использование солнечных батарей или энергии ветра для производства электроэнергии в энергосети должно предусматривать наличие 100%-ной дублирующей генерирующей мощности — гидро или тепловой электростанции. Понятно, что это связано с очень высокими экономическими затратами, хотя в некоторых местах может стать основой развития будущей энергетики. Для развивающихся стран с незначительными базисными потребностями в электроэнергии такой подход, естественно, неприменим.
Экологические аспекты использования возобновляемых источников энергии: Возобновляемые источники энергии имеют различный набор качеств с точки зрения их влияния на окружающую среду и выгоды по сравнению с органическим или ядерным топливом. К положительным качествам следует отнести тот факт, что они совершенно не выбрасывают в атмосферу углекислый газ, и не производят других загрязняющих веществ (кроме некоторых продуктов распада, образующихся на дне водных резервуаров). Но так как они используют относительно малоинтенсивную энергию, площадь, занимаемая ими, оказывается намного большей. Кроме того, физические размеры оборудования, по этой же причине, оказываются очень большими по сравнению с существующими высокоинтенсивными источниками энергии. Последнее обстоятельство требует для изготовления соответствующих конструкций больших материальных и энергетических затрат. Сомнительно, например, что бы жители Австралии одобрили воздействие на окружающую среду новых гидросистем в районе Снежных Гор (дающих, кстати, 3.5 % всей электроэнергии и обеспечиваютирригацию). Вряд ли будут одобрены и проекты по застройке больших площадей вблизи городов под электростанции на солнечных батареях, если такие проекты вообще когда-либо будут сделаны. В Европе, ветряные турбины давно не вызывают к себе любовь из-за производимого ими шума и по соображениям охраны природы. Громадные вращающиеся турбины постоянно приводят к гибели большого числа птиц. Однако, воздействие на окружающую среду может быть минимизировано в некоторых случаях. Солнечные батареи, например, могут устанавливаться вдоль автомагистралей, выполняя дополнительную функцию шумоизоляции, или располагаться на крышах домов. Имеются также отдельные места, где возможна и безопасная становка ветряных турбин.
Список используемой литературы.
1. Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И. — М.: Энергоатомиздат. 1995 г.
2. Огородников И.А., Огородников А.А. «На пути к устойчивому развитию: экодом. Сборник материалов» М.: Социально-экологический союз, 1998г.
3. Журнал «Техника молодежи» №5, 1990г.
4. Лаврус В.С. «Источники энергии» К.: НиТ 1997г.
5. Ресурсы Интернета.
www.ronl.ru
Минобрнауки России
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
УГС (код, наименование) 080500 Бакалавр
Направление подготовки 080200 Финансовый менеджмент
Профиль (наименование) Финансовый менеджмент
Факультет экономики и менеджмента
Кафедра менеджмента и маркетинга
Учебная дисциплина _экологический менеджмент
Курс 2 Группа 6381
Тема Возобновляемая энергетика – текущее состояние и перспектива развития в России и мире.
Студент _________________ К. В. Канева
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Руководитель,
должность ________________ А.В. Ерыгина
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Оценка за курсовую работу
(курсовой проект) ___________ ____________________
(подпись руководителя)
Санкт-Петербург
1.Возобновляемая энергетика. 3
2.Источники возобновляемой энергии. 4
2.1.Энергия солнечного света. 4
2.2.Энергия ветра. 4
2.3.Гидроэнергия. 5
2.4.Энергия приливов и отливов. 6
2.5.Энергия волн. 7
2.6.Геотермальная энергия. 7
2.7.Биомасса и биогаз. 9
3.Меры поддержки возобновляемых источников энергии. 10
4. Использование возобновляемых источников энергии в мире 12
5.Использование возобновляемых источников энергии в России 13
Вывод. 14
Литература: 17
Возобновляемая (альтернативная) энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счет возобновляемых источников (ВИЭ).
Возобновляемыми называют такие источники энергии, запасы которых могут быть восполнены в природе естественным образом. Основное преимущество возобновляемой энергетики заключается в том, что она не требует использования невосполнимых природных ресурсов — нефти, угля и газа. В отличие от современной атомной энергетики, «зеленая» энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии, не представляет угрозы для окружающей среды.
Согласно федеральному закону об электроэнергетике, к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся: энергия солнца, энергия ветра, энергия воды, в том числе энергия сточных вод, энергия приливов, энергия волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов; геотермальная энергия, биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива; биогаз, газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов, газ, образующийся на угольных разработках.
Главным фактором, тормозящим развитие ВИЭ в России, является высокая себестоимость получаемой энергии. Однако с течением времени стоимость «зеленой» энергии постепенно снижается — в то время как стоимость энергии, получаемой от ископаемых источников, продолжает неуклонно расти. Таким образом, эффективность внедрения ВИЭ постоянно повышается. Говоря о будущем энергетики, мировые и отечественные эксперты, все чаще делают ставку на возобновляемые источники.
studfiles.net
Содержание
Введение 3
Плюсы и минусы ВИЭ 4
Ветроэнергетика 5
Энергия ветра 5
Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра 5
Экологические аспекты ветроэнергетики 7
Гидроэнергетика 8
Солнечная энергия 12
Геотермальная 15
Энергия биомассы 16
Заключение 17Введение
В последние годы крайне популярно стало понятие «возобновляемые источники энергии (ВИЭ)». Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических.
Энергетический кризис 1973-1974 годов в капиталистических странах показал, что трудно постоянно наращивать энерговооруженность производства, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил. Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, альтернативные источники энергии.
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.
Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются, в принципе, тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике.
Каковы же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн, биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды.
Основной фактор при оценке целесообразности использования 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. Плюсы и минусы ВИЭ
К положительным качествам ВИЭ относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.
Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства ВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой. Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками.
Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».
Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить «на склад», как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нет оснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.
Что же касается «бесплатности» большинства видов ВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации ВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.ВетроэнергетикаЭнергия ветра
Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере.
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. 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.Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией. Крыльчатые ветродвигатели
Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются. Карусельные ветродвигателиРазличие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем “откуда дует ветер”, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки. Ортогональные ветродвигатели
Ортогональные ветродвигатели, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 1. (6)). Самолет, прежде чем “опереться” на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Экологические аспекты ветроэнергетики
Выбросы в атмосферу
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тон.
Влияние на климат
Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее.
Вентиляция городов
В современных городах выделяется большое количество вредных веществ, в том числе от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная вентиляция городов происходит с помощью ветра. При этом описанное выше снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна.
Шум
Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)
В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.
Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.
Низкочастотные вибрации
Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
Радиопомехи
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигналаЧем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.ГидроэнергетикаЭнергия 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.
Происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив, использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды, заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам возможностей рентабельной утилизации обширных и безвредных источников энергии, в том числе и энергии в Мировом океане. Широкая общественность еще не знает, что поисковые работы по извлечению энергии из морей и океанов приобрели в последние годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их перспективы становятся все более обещающими.
Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию.Энергия приливов
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.
Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).
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.
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. Энергия морских течений
Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли". Термальная энергия океана
Большое внимание приобрела "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.
Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 27є C. На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 2-4є С. Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество? Да, и это возможно.
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.Внутренняя энергия молекул воды
Конечно, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет великолепные возможности, но (по крайней мере, пока) электричество не поднимает в небо самолеты, не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, не поведет корабли через моря. Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород - один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула h3O значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии. Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к "водородной энергетике" будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 С).
Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости. Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге "Таинственный остров" он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света". Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них - электролиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.) В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно собирать высвобождающийся водород, что получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе "Аполлон".
www.coolreferat.com
