Нетрадиционные источники энергии
Структура нетрадиционных источников энергии и обоснованная необходимость в их применении
Определение 1
К нетрадиционным (альтернативным) источникам энергии относят:
- энергию Солнца, ветра, воды (приливов, морских волн),
- геотермальную и водородную энергию,
- энергию биомассы.
Интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны, экономически выгодны, оказывают на природную среду щадящее воздействие.
Предпосылками необходимости найти нетрадиционные источники энергии, чистые, безопасные, дешевые, стали углубляющийся энергетический кризис, ухудшение экологической ситуации, вызванное, в том числе, и потреблением традиционных источников энергии.
Солнечная энергетика
По экономическим, экологическим, ресурсным критериям, а также по показателям безопасности солнечная энергия в ряду альтернативных источников занимает одно из первых мест, ее использование имеет долгосрочную перспективу.
Замечание 1
Подсчитано, что объем солнечной энергии, поступающей в течение трех дней на территорию РФ, превышает объем энергии, сопоставимый с выработкой электроэнергии в масштабах страны за год.
К преимуществам солнечной энергетики относятся: возобновляемость, огромный потенциал, неисчерпаемость, доступность, бесшумность, экономичность, небольшие расходы при эксплуатации. Особенно важно, что производство и использование солнечных электростанций сопровождается минимальными (почти что нулевыми) по сравнению с традиционными источниками энергии выбросами в природную среду.
Энергия ветра
Ветровые электростанции – перспективный способ получения энергии, особенно в тех местах, где направление ветра постоянно.
Способ получения такой энергии не загрязняет природную среду. Однако прослеживается зависимость от непостоянства направлений и силы ветра. Хотя эту зависимость есть возможность частично сгладить установкой маховиков и разнообразных аккумуляторов.
Но строительство, содержание, ремонт ветровых электростанций обходится недешево. К тому же эксплуатация их сопровождается шумом, мешает птицам и насекомым, отражает радиоволны вращающимися частями.
Энергия воды
В структуру гидроэнергетики, использующей энергию водных ресурсов, входят гидроэлектростанции, малые гидроэлектростанции, приливные электростанции, волновые электростанции.
Для работы гидроэлектростанций необходимо сооружение плотины и водохранилища (гарантия обеспеченности водой). Основное преимущество гидроэнергетики – использование возобновляемой энергии.
Эксплуатация гидроэлектростанций не загрязняет природную среду, однако под водохранилища отчуждаются земли (часто плодородные). Плотины часто перекрывают рыбам путь к нересту.
Геотермальная энергия (тепло Земли)
Представляет практический интерес применение геотермальной энергии, использующей тепло Земли, в виде геотермальных станций. Кроме этого, подаваемые горячие подземные воды могут обогревать здания, теплицы. Для получения геотермальной энергии не нужно сжигать топливо, поскольку природный пар непосредственно используется для получения электроэнергии.
Геотермальная электростанция может вырабатывать электроэнергию из тепловой энергии гейзеров и других подземных источников. Гидроэлектростанции могут составить конкуренцию в регионах, где отпускная цена на электроэнергию высокая.
Водородная энергетика
Водородная энергетика, интерес к которой возрос за последнее время, основана на использовании водорода в качестве топлива.
Очевидно преимущество выбора водорода в качестве энергоносителя: экологическая безопасность (продукт его сгорания – вода), он не токсичен, не представляет опасности для человека и животных.
К недостаткам относятся:
- получение вещества с затратой иных энергоносителей – нефти, газа, электричества,
- высокая угроза образования взрывов – главный аргумент противников водородной энергетики.
Замечание 2
Следуя современным технологиям, возможно получать качественное топливо, имеющее высокий коэффициент теплоотдачи. Перспектива за разработкой проектов современных водородных электростанций и установок на топливных элементах.
Биоэнергетика
Сегодня большинство биоэлектростанций напоминает тепловые электростанции.
Основное отличие от традиционных ТЭЦ – применение биотоплива, которое получают в процессе переработки биологических отходов.
В стадии разработки проекты, использующие в качестве биотоплива целлюлозу, органические отходы, осадки канализационных стоков, продукты жизнедеятельности животных (навоз) и газ метан, выделяющийся при переработке отходов животноводческих хозяйств. На практике сегодня биоэлектростанции используют чаще всего отходы древесины.
spravochnick.ru
Реферат по дисциплине «Экология» НЕТРАДИЦИОННЫЕ (АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ) ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Министерство образования и науки
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный
педагогический университет им. М.Акмуллы»
НЕТРАДИЦИОННЫЕ (АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ) ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
реферат по дисциплине «Экология»
Выполнил: Федоров Сергей Алексеевич
ФМФ, заочное отделение, 2 курс, ЗОПОМОИТС-21-16
Уфа 2018
Содержание
Введение 3
Солнечная энергия 5
Энергия океана 8
Энергия ветра 10
Энергия морских течений 12
Энергия приливов и отливов 13
Геотермальная энергия 16
Биотопливо 19
Заключение 23
Список литературы 25
ВВЕДЕНИЕ
В глубокой древности человечество начало с бережного использования возобновляемых источников энергии, но постепенно перешло к безрассудному использованию невозобновимых источников.
Вся история доказывает, что с ростом уровня жизни увеличивается количество необходимой человеку энергии.
Любая деятельность, независимо от её природы, предполагает использование энергии. Нынешняя человеческая деятельность на земле является доказательством того, что люди использовали и используют много энергии. Человек слишком слаб физически, чтобы собственными силами достичь тех результатов, которых достигло человечество в результате своей деятельности. Однако кроме физической силы у людей есть и другие способности. Главная из них – способность мыслить и осуществлять свои замыслы. На протяжении всей истории результатом этого были различные способы использования других энергоисточников, помимо мускульной энергии, для достижения с их помощью желаемых результатов. В настоящее время ежегодно расходуемая всеми странами энергия составляет 0,1% в отношении возможных для использования запасов угля, природного газа и нефти, вместе взятых.
Но ведь потребление всех видов энергетических ресурсов быстро растёт. Что же будет дальше? На наш взгляд, проблемы, связанные с энергообеспечением, очень актуальны в наше время. Они не могут не интересовать любого здравомыслящего человека и требуют изучения и решения.
Существуют разные прогнозы, касающиеся будущего наших ресурсов. Разрабатывая такие прогнозы, надо исходить, с одной стороны, из оценки перспектив роста населения и производства соответственно потребности общества, а с другой – из наличия запасов каждого ресурса. Однако прогнозировать современную тенденцию роста населения и производства далеко в будущее было бы рискованно. Кроме того, научно – технический прогресс, несомненно, будет продолжаться в направлении поисков более экономных, ресурсосберегающих технологий, что позволит постепенно сокращать потребность во многих природных источниках производства.
Исходя из сказанного, следует ожидать, по крайне мере, в ближайшие десятилетия, дальнейший рост потребностей в самых разнообразных энергетических ресурсах. При оценке их запасов важно различать две большие группы ресурсов – невозобновимые и возобновимые. Первые практически не восполняют, и их количество неуклонно уменьшается по мере использования. Сюда относятся минеральные и земляные ресурсы. Возобновимые ресурсы либо способны к самовоспроизведению (биологические), либо непрерывно поступают к Земле извне (солнечная энергия), либо, находятся в непрерывном круговороте, могут использоваться повторно(вода). Возобновляемые ресурсы — природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.
Разумеется возобновимые ресурсы, как и невозобновимые, не бесконечны, но их возобновляемая часть может постоянно использоваться.
Если обратиться к главным типам мировых природных ресурсов, то в самом общем мы получаем следующую картину. Основным видом энергоресурсов является пока ещё минеральное топливо – нефть, газ, уголь. Эти источники энергии невозобновимы и при нынешнее темпах роста их добычи они могут быть, по мнению учёных, исчерпаны через 80-140 лет.
В данном проекте в качестве источников энергии рассмотрены нетрадиционные: энергия солнца, энергия ветра, геотермальная энергия, энергия приливов и отливов, энергия морских течений, энергия океана и использование биологического топлива.СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива – 7 000 ккал/кг). Разведанных мировых запасов угля человечеству хватит на 200 лет, нефти и природного газа – на 36 лет, ядерного топлива – на 40 лет. Солнечная энергия – это наименьшее количество загрязнения для планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии. Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал. Уже используются солнечные батареи и введены в эксплуатацию гелиоэлектростанции, а это значит найден способ преобразования тепловое и световое излучение солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлива, а за 1с – 170млрд Дж. Большую часть этой энергии рассеивается или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5000млн.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. Сегодняшние солнечные системы уже рентабельны, надежны и просты в эксплуатации. Их использование набирает популярность в развитых странах. Для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют способ, предложенный, согласно легенде, еще в III веке до н. э. знаменитым ученым Архимедом. Правда, солнечный свет он применял тогда вовсе не с целью получения дешевой энергии, а для обороны родных Сиракуз, атакованных с моря галерами римского полководца Марцелла. Вот что написано в истории: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».
Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество.
В мире сейчас действуют несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от Солнца, а ночью, чтобы вода не остывала и электричество не кончалось, – от газа. Температура пара в установках достигает 370 градусов Цельсия, а давление – 100 атмосфер.
Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с “солнечным приводом” : моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями.
Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю. С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция, мощность которой 5МВт, на острове Сицилия – мощностью 1МВт, на юге Испании – мощностью 0,5Мвт. Заложено начало авиации на солнечных батареях. В настоящее время продолжительность полета беспилотных летательных аппаратов ограничена в основном запасом энергии. Такие аппараты могут летать очень продолжительное время и выполнять задачи по мониторингу окружающей среды, а также выступать в роли радиоретрансляторов в течение недель или даже месяцев без использования топлива и без загрязнения воздушной среды. Подобные аппараты успешно могут выполнять роль «псевдоспутников», они расположены ближе к поверхности земли, более подвижны и стоят гораздо меньше, чем настоящие спутники. Перед конструкторами все еще стоит множество проблем. КПД солнечных элементов пока еще не слишком высок, всего около 20%.. В ночное время и даже днем аппарат должен иметь запасы энергии на борту. Если самолет летит выше облаков на небольшой высоте вокруг экватора, он не может всегда находиться в зоне, освещенной Солнцем, потому что Земля вращается быстрее, чем может лететь самолет с электродвигателем, поэтому аппарат, рассчитанный на круглосуточный полет, должен быть гибридным».
Телевизор, работающий от солнечной энергии
Компания Sharp представила на недавно проходившей выставке телевизор, работающий от солнечной батареи. Энергии солнечной панели оказалось вполне достаточно для просмотра телепередач на 52-дюймовом экране со светодиодной подсветкой.
ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн.кв.м) занимают моря и океаны. Кинетическая энергия океанских течений примерно равна 1018 Дж. Энергоресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые источники энергии. Океаны, помимо механической энергии волн и приливов, содержат также потенциальную энергию в виде тепла. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию происходит за счет разности температур верхнего и нижнего слоев. Как известно, Солнце нагревает лишь верхние слои воды морей и океанов, причем, нагретая вода не опускается вниз, так как ее плотность меньше, чем у холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается до 25-300° С, в то время как температура воды на глубине в 1 км не превышает 50° С. Получаемый в результате разности температур естественный тепловой градиент и создает запасы энергии. Причем, существенное количество ее можно получить при условии, когда температура между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды отличается, примерно, на 200°С значит тепловая энергоустановка, плывущая под водой могла бы производить энергию.
Установка мини-ОТЕС (преобразование тепловой энергии океан в элекрическую) смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.
Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25–50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать рентабельными уже в настоящее время.
ЭНЕРГИЯ ВЕТРА
Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергетики всех рек планеты. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Считается, что общий ветровой энергопотенциал Земли равен 1200ГВт.
Энергия ветра представляет собой самый быстрорастущий во всем мире источник электричества. Энергия ветра производится массивными трехлопастными ветротурбинами, устанавливаемыми на самом верху высоких башен и работающими подобно вентиляторам, но в обратном порядке. Вместо того чтобы использовать электричество для получения ветра, турбины используют ветер для получения электричества.
Ветровые установки являются одним из самых перспективных и одновременно экологически чистых способов выработки электроэнергии, с КПД около 59%. Вместе с тем, энергия ветра относится к числу возобновляемых источников энергии. В общих чертах, устройство ветровой электростанции выглядит следующим образом. Ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Самая трудная проблема состоит в том, чтобы обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера при разной силе ветра. Для этого угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируется за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия реализуется за счет запасов воды в верхнем резервуаре, которая набирается в ветреную погоду и стекает в безветренную погоду. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт = 1 миллиону ватт) электроэнергии. В жилых домах, на телекоммуникационных станциях и в водяных насосах в качестве источника энергии применяются небольшие одиночные ветротурбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных районов, в которых отсутствует энергосистемы общего пользования. В ветровых установках группы турбин связаны вместе с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий. Такие станции работают труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах населенных пунктах, где нет поблизости электростанций.
За последние 10 лет глобальное производство энергии ветра увеличился в 10 раз – с 3,5 гигаватт (гигаватт = 1 миллиарду ватт). Этого достаточно для того, чтобы обслуживать более 1,6 миллиона домохозяйств.
ЭНЕРГИЯ МОРСКИХ ТЕЧЕНИЙ
Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью генераторов, погруженных в воду..
Преимуществами нового генератора, получившего название «Анаконда», являются простота и относительная дешевизна изготовления. Генератор «Анаконда», представляет собой длинную и тонкую резиновую трубку диаметром 0,25 м или 0,5 м, герметично закупоренную с обоих концов, внутри которой находится вода. К одному концу трубки прикрепляется якорь, удерживающий ее под водой, а второй ориентируется навстречу набегающим волнам. Морские волны, деформируя один конец резиновой трубки, генерируют внутри нее волны, которые приводят в движение турбину, установленную на другом конце устройства. По сравнению с другими установками, использующимися для получения электроэнергии из энергии волн, генератор «Анаконда» обладает меньшим весом, более прост в изготовлении и требует меньше затрат на техническое обслуживание.Ученые планируют изготовить «Анаконду» длиной 200 метров и 7 метров в диаметре, которая будет погружаться на глубину 40-100 метров. Расчеты показывают, что мощность такой установки будет составлять приблизительно 1 МВт.
ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ И ОТЛИВОВ
Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы знаем, что могучее природное явление – ритмическое движение морских вод – вызывают силы притяжения Луны и Солнца. 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. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт. Идея использования энергии приливов появилась у наших предков добрую тысячу лет назад. Правда, строили они тогда не ПЭС, а приливные мельницы. Одна из таких мельниц, упоминаемая еще в документах 1086 года, сохранилась в местечке Илинг, на юге Англии. В России первая приливная мельница появилась на Беломорье в XVII веке. В ХХ веке ученые задумались над использованием потенциала приливов в электроэнергетике. Достоинства приливной энергии неоспоримы. Приливные станции можно строить в труднодоступных местах в прибрежной зоне, они не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций, не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций и не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций. Приливная электростанция (ПЭС) – электростанция, преобразующая энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Перекрыв плотиной, залив или устье впадающей в море (океан) реки (образовав водоём, называют бассейном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (> 4 м) создать напор, достаточный для вращения гидротурбин и соединённых с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины. При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно 2–1 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия). Мы знаем, что приливы и отливы обусловлены цикличностью, а значит выработка энергии получается пульсирующей в течение полумесячного периода. Даже использование резервных бассейнов не исключает этой пульсации. Поэтому используют совместную работу ПЭС в одной энергосистеме с мощными тепловыми (в т. ч. и атомными) электростанциями. Энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать внутримесячные колебания энергии приливов. На ПЭС устанавливают специальные гидроагрегаты, которые используются с генераторном (прямым и обратным) и насосном (прямым и обратным). В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме ( подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива или откачивают ниже уровня отлива) и таким образом аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме. В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС, которая работает до настоящего времени. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт. Основоположниками этого проекта были советские ученые Лев Бернштейн и Игорь Усачев. В отличие от гидроэнергии рек, средняя величина приливной энергии мало меняется от сезона к сезону, что позволяет приливным электростанциям более равномерно обеспечивать энергией промышленные предприятия. Пока энергия приливных электростанций обходится дороже энергии тепловых электростанций. Запасы приливной энергии планеты значительно превосходят полную величину гидроэнергии рек, значит можно полагать, что приливная энергия будет играть заметную роль в дальнейшем прогрессе человеческого общества.. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления. Эти плотины экологически безопасны, т.к. биологически проницаемы, пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Говоря просто геотермальная энергия — это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли. Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Геотермальные энергоресурсы делятся на гидротермальные конвективные системы (подземные бассейны пара и горячей воды, которые образуют гейзеры и сернистые грязевые озёра), горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком. Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами —для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжение. Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого “сухого пара” т е пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии. Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве—сбрасывать в ближний водоем.В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют и затем используют для вращения турбин. В районах, отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. В России геотермальные источники экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. В настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах, проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны. Основное направление развития геотермальной энергетики — отбор теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород путем закачки отработанной воды в пласты, преобразование глубинной теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую безопасность технологии ее использования .Геотермальные воды с наиболее высокой температурой и пар используют для получения электроэнергии. Энергия, полученная таким способом, дешевле, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Наличие больших запасов геотермальной энергии в земной коре дает надежду на то, что у этой отрасли энергетики большое будущее.На Камчатке уже работают две геотермальные электростанции. А также такие электростанции построены в районе Махачкалы и Южно-Курильска. Недостатком всех имеющихся геотермальных электростанций является то, что располагать их возможно только там, где есть горячие источники. Ученые выдвинули идею бурения скважин на глубину в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой получать разогретый пар. Температура в глубине скважин будет достигать 150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения электроэнергии или отопления. Благодаря изобретению советского инженера Александра Калины, наряду с традиционными геотермальными электростанциями появились электростанции использующие «цикл Калины». Их особенностью является то, что горячая вода из земных недр передает свою энергию другой жидкости. Такая схема называется бинарной или двухконтурной. В качестве второй жидкости используют двухкомпонентную водно-аммиачную смесь. Свойства этой смеси позволяют оптимизировать перенос тепла при ее испарении и конденсации. Поэтому «цикл Калины» оказался эффективней других бинарных схем. КПД таких электростанций гораздо выше по сравнению с традиционными геотермальными электростанциями и это несомненно большой прогресс. Дальнейшее развитие этой отрасли энергетики обеспечит экономический рост страны, даст возможность отказаться от использования не возобновляемых источников энергии и улучшить экологическую обстановку. На Кубани планируется построить сеть геотермальных станций. Принцип работы станции заключается в подаче насосами воды (t=1000? С) с глубины 2,5 тыс. м в центральный тепловой пункт (ЦТП), расположенный в центре поселка. Подаваемая вода нагревает воду для отопления и горячего водоснабжения, затем закачивается обратно в скважину на ту же глубину, где она снова нагревается и становится пригодной для дальнейшего использования. Мощность ЦТП 5 МВт, в перспективе 10 МВт. Летом подогрев воды обеспечит солнечная водонагревательная установка, работающая на солнечных батареях будет восстанавливаться. Рядом со станцией планируется развивать сопутствующие производства: рыбные хозяйства, тепличные комплексы, бальнеолечение.
Биото́пливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).
Энергия биомассы -Для производства электрической и тепловой энергии в лесоперерабатывающей промышленности широко используется биомасса — энергоносители растительного происхождения, образуемые в процессе фотосинтеза. Если производство биомассы соизмеримо с ее сжиганием, содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Наиболее оптимальный способ использования биомассы — ее газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах. Предварительные расчеты показывают, что турбогенераторы, работающие на продуктах газификации биомассы, могут успешно конкурировать с традиционными тепловыми, ядерными и гидравлическими энергоустановками. Наиболее перспективными областями применения таких турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики, в которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности, сахарные и винокуренные заводы, перерабатывающие сахарный тростник). Ежегодный объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн. т. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн.т условного топлива в год: за счет производства биогаза (120 млрд. м3) — 100-110 млн. т, этанола — 30-40 млн. т. Окупаемость современных технологий производства биогаза из отходов по оценкам специалистов составляет от 3 до 5 лет. За счет использования биогаза к 2000 г. можно получить годовую экономию органического топлива 6 млн. т, а к 2010 г. в 3 раза больше. Для этого необходимо создать высокоэффективные штампы анаэробных микроорганизмов, специальные виды энергетической биомассы, технологии, эффективное оборудование. Специалисты научно-исследовательского центра “АКМАС” во Владивостоке (Россия) разработали метод получения биотоплива из морской воды. Сейчас все говорят о биотопливе, как об экологически чистом продукте. В Европа его делают из рапса, из пшеницы, в Америке – из кукурузы, в Юго-Восточной Азии – из риса. Но все это продукты питания, цены на которые будут расти, так же, как и на углеводороды. Например, в Приморье собираются к форуму АТЭС построить завод по производству биотоплива из сои, который будет перерабатывать 40 тыс. т сои в год.
–Биотоплива второго поколения. Биотоплива второго поколения — различные топлива, полученные различными методами разложение химических соединений при нагревании биомассы, или другие топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля. Этот способ позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций.
-Биотоплива третьего поколения
С 1978 года по 1996 года исследовал водоросли с высоким содержанием масла. Проблема заключается в агроклиматичекских условиях не всегда пригодных для выращивания водорослей. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах
температур. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах из можно культивировать в биореакторах, которые могут работать на основе ТЭЦ, а значит не требуется жаркий климат. На основе переработки водорослей получают газообразное топливо.
Преимущества применения нетрадиционных источников энергии:
-отсутствие топливной составляющей
-недорогое строительство
-возможность создания рабочих мест
-дешевая эксплуатация
-устойчиво работают в энергосистемах как в базе так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии
-не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций
-не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций – не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций – не оказывают вредного воздействия на человека
-нет вредных выбросов (в отличие от ТЭС) – нет радиационной опасности (в отличие от АЭС) экологическая безопасность.
-исключен выброс вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва
Недостатки применения нетрадиционных источников энергии:
-агроклиматическая зависимость и изменчивость по времени
-дополнительные затраты на одновременное использование других источников энергии
-малая мощность
Недостатки использования биотоплива топлива:
– развитие биотопливной индустрии вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных.
– производство и использование биотоплива приводит к выбросу в атмосферу гораздо большего количества парниковых газов, чем сжигание нефти, газа или угля.
Основными доводами в пользу использования биотоплива являются следующие:
-высокая продуктивность;
-в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;
-процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;
-создание новых рабочих мест;
-улучшить оборот земельных ресурсов в развивающихся странах;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.
Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.
Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного “корма”.
Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.
И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.
Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.
Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.
А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю… Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, “воинствующая” линия энергетики.
В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.
Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 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. Стали интенсивней использовать источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.
Яркий пример тому – быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.
Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия ветра и воды лишь наиболее яркие штрихи, того будущего, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, и радости побед.
Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: “Нет простых решений, есть только разумный выбор”.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бернштейн Л. Б. « Приливные электростанции в современной энергетике» Москва «Энергия» 2003г.
2. Евгений ХРУСТАЛЁВ «Энергия мирового океана» Энергетика и промышленность России, газета: № 6 (22) июнь 2002 года;
3. В.Володин, П.Хазановский “Энергия, век двадцать первый”
4. А.Голдин “Океаны энергии”.
5. Л.С. Юдасин “Энергетика: проблемы и надежды”.
infourok.ru
Нетрадиционные способы и источники получения энергии
Введение
Энерговооруженность является основой технического прогресса. Энергетический кризис 1970-х годов существенно обострил проблему энергообеспечения общества. Стало ясно, что период дешевых и легко доступных источников энергии окончился. Энергетические проблемы неразрывно переплелись с экономическими, экологическими, социальными и политическими проблемами. Энергетика стала одним из главнейших факторов, определяющих развитие мировой экономики.
В этих условиях особую актуальность приобрела задача поиска новых, нетрадиционных способов и источников получения энергии, в особенности возобновляемых. К таким источникам относятся:
Солнечное излучение.
Гидравлическая энергия малых рек.
Геотермальное тепло.
Энергия ветра.
Энергетические ресурсы мирового океана.
В настоящее время мировая потребность в первичной энергии оценивается величиной 12 млрд. тонн условного топлива. Энергопотребление в России составляет менее 1 млрд. тонн в год. Данныеозапасах топливно-энергетических ресурсов РФ приведены в табл. 1. (см. Приложение).
Если ориентироваться только на запасы органического топлива, то, несомненно, необходим возврат к увеличению доли каменных и бурых углей в топливном балансе страны. Нефть и газ являются высокоценным сырьем, а их запасы по сравнению с запасами угля примерно в 20 раз ниже. Однако уголь является экологически «грязным» топливом. Кроме того, его добыча связана с повышенными затратами и риском, так как запасы каменного угля в настоящее время сохранились в основном на большой глубине.
Поэтому настоятельно необходимо вовлечение в производство других видов первичной энергии, таких как:
гидравлическая энергия малых рек;
ветровая;
приливная;
геотермальная;
солнечная.
Современный вклад в мировое энергопроизводство на основе солнечной, ветровой, приливной энергии составляет 0,1%, а установленная мощность электростанций, использующих эти энергоресурсы достигает 36 ГВт. В то же время технически осуществимый потенциал этих энергоисточников в мире составляет (млрд. тонн):
солнечная энергия …………. 6,0;
энергия ветра ………………. 2,8;
геотермальная энергия ……. 1,0.
По самым осторожным оценкам, в условиях России только за счет солнца и ветра можно получать до 0,5 млрд. тонн топлива в год. Это составляет 20–25% максимально возможного потребления энергии в РФ на достаточно отдаленную перспективу. Данные о потенциале нетрадиционных источников энергии в РФ приведены в табл. 2.
Малые гидроэлектростанции
Технически возможный гидроэнергетический потенциал составляет примерно 10% от полных запасов разведанного органического топлива. В настоящее время выработка на гидроэлектростанциях (ГЭС) РФ составляет 6% от общего производства электроэнергии. Опыт строительства гидроэлектростанций в бывшем СССР показал, что сооружение крупных ГЭС возможно только в экономически развитых странах из-за огромных затрат как на строительство, так и на природоохранные мероприятия. Кроме того, необходимы крупные капиталовложения на поддержку в работоспособном состоянии всего комплекса гидротехнических сооружений.
Поэтому использование гидроэнергетического потенциала на современном этапе возможно лишь на основе широкого применения гидроустановок (ГЭУ) малой мощности. Установки мощностью менее 0,1 МВт относится к категории микро-ГЭС. Станции мощностью менее 30 МВт могут быть построены как на малых и средних реках, так, в отдельных случаях, и на реках крупных (при низконапорных гидроузлах или при неполном использовании стока). В Российской Федерации находятся в эксплуатации малые ГЭС (МГЭС) суммарной мощностью 545 МВт. Они вырабатывают 1940 млн. кВт×ч электроэнергии в год. Практически все эти МГЭС расположены на Европейской территории РФ, При этом, основные суммарные мощности МГЭС (более 2/3) приходятся на районы Северо-Запада и Северного Кавказа.
ГЭУ малой мощности могут строиться на основе плотинной и деривационной схем, а также на базе использования энергии свободного потока воды.
Для увеличения мощности ГЭС, использующей энергию свободного потока, необходимо увеличивать скорость воды за счет применения сопл на входе и выходе установки.
ГЭУ на основе энергии свободного потока могут монтироваться на сваях или располагаться на плотах (так называемые наплавные ГЭС).
Ветроэнергетические установки
В мировой практике широко используются ветроэнергетические установки (ВЭУ). Некоторые из них достигают предельной для ветроагрегатов мощности в 3–4 Мвт (табл. 3). (см. Приложение)
ВЭУ применяются для привода насосных станций, опреснения минерализованных вод, мелиорации земельных угодий. В настоящее время применяют ВЭУ двух конструктивных типов:
с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку;
с вертикальной осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку.
Для ВЭУ первого типа применяют двухлопастное ветроколесо, которое обеспечивает более высокую энергоемкость, чем многолопастное. Защита от разрушения лопастей при чрезмерной силе ветра осуществляется поворотным механизмом, который при предельной скорости ветра разворачивает лопасти во флюгерное положение. Недостаток ветродвигателей с горизонтальной осью вращения состоит в необходимости установки их на достаточно высокой башне. Это связано, во-первых, с обеспечением свободного пространства для вращения лопастей, и, во-вторых, с тем, что скорость ветра растет с увеличением высоты.
Рабочий момент на ветроколесе создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях, которые имеют специальный профиль. Процесс возникновения сил на лопастях подчиняется тем же законам, что и процесс появления подъемной силы крыла самолета. При этом под крылом создается область повышенного давления, а над ним – пониженного.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения имеет несколько важных преимуществ по сравнению с крыльчатыми ВЭУ с горизонтальной осью:
отпадает необходимость в устройствах для ориентации на направление ветра;
упрощается конструкция и монтаж, более удобным становится расположение генератора и редуктора;
снижаются дополнительные механические напряжения в лопастях, системе передач, вызванные гироскопическими нагрузками.
Имеется несколько типов ветродвигателей с вертикальной осью вращения, примером которых является ротор Савониуса. Этот ротор изготавливается из цилиндрической трубы, разрезанной вдоль и закрепленной между нижними и верхними фланцами. Обе лопасти несколько раздвинуты, причем зазор между ними может меняться.
К ветроприемным устройствам с вертикальной осью вращения относится ротор Дарье. Он оснащается двумя или тремя тонкими лопастями и вращается со скоростью в три-четыре раза превышающей скорость ветра. Для запуска ротора Дарье необходим вспомогательный двигатель, разгоняющий его до номинальной скорости.
Применяются более сложные конструкции ветроагрегатов с вертикальной осью вращения. К ним относятся:
ветроагрегат с двухъярусными вертикальными лопастями на общем валу
ветроагрегат с двумя лопастями, расположенными на тележках (ВЛ-2)
многолопастной ветроагрегат, с лопастями расположенными на тележках
В качестве лопастей для агрегатов ВЛ-2 и ВЛ-МЛП используются крылья самолетов.
Развитие промышленной ветроэнергетики началось в начале 70-х годов. Наибольшего развития в настоящее время ветроустановки достигли в США, где эксплуатируются ВЭУ суммарной мощностью 1700МВт, в Германии – 630МВт, Дании – 539МВт, Индии – 200МВт, Великобритании – 170МВт, Нидерландах – 16 МВт. Еще в четырех странах (Швеции, Греции, Китае и Италии) мощность ВЭУ достигла 20…40 МВт, и, как минимум, в восьми странах – от нескольких мегаватт до 10 МВт.
В странах Северной и Южной Америки, вместе взятых, и в странах Европы суммарная мощность эксплуатируемых ВЭУ составляет по 1725 МВт, в странах остальных континентов мощность ВЭУ – всего 280 МВт.
Средняя единичная мощность эксплуатируемых в мире ВЭУ составляет ~ 140 кВт. Примерно до середины 80-х годов ветроэлектростанции создавались на базе ВЭУ единичной мощностью менее 100 кВт. С середины 80-х годов стали внедряться ВЭУ мощностью 100–300 кВт, а к концу 80-х – и ВЭУ 600…700 кВт. Создаются для серийного производства новые модели ВЭУ мощностью 500…1500 кВт. Переход в настоящее время к ВЭУ предельной мощности (3…4 МВт) оценивается в мире как преждевременный. Практически весь мировой парк ВЭУ состоит из крыльчатых установок. Работы по другим типам ВЭУ, а также по крыльчатым ВЭУ предельной мощности проводятся, однако широкого развития они не получили.
Таким образом, к настоящему времени мировая ветроэнергетика превратилась в отрасль, вносящую в отдельных странах ощутимую долю в производстве электроэнергии.
Наиболее перспективные зоны для использования ветровой энергии в России находятся на прибрежной полосе шириной 50…100 км вдоль морей Северного Ледовитого океана, в отдельных прибрежных районах Дальнего Востока, в районах Балтийского, Черного и Каспийского морей. В этих районах среднегодовая скорость ветра равна 5…6 м/с и более.
Практическое освоение ветроэнергетики в РФ только начинается. Разрабатываются и создаются несколько моделей крыльчатых ВЭУ мощностью 250…300 кВт, одна модель крыльчатой ВЭУ мощностью 1000 кВт и модель ВЭУ с вертикальной осью вращения мощностью 1250 кВт. В 1991–1992 годах смонтированы две ВЭУ типа АВЭ-250 на полигонах в поселке Дубки (Чиркейская ГЭС, Дагестан) и в Иван-городе (Ленинградская обл.) и одна – на полигоне НПО «Ветроэн» в Геленджике. В 1993 г. смонтирован агрегат АВЭ-250 в г. Воркуте.
В 1993 г. в г. Новороссийске построена опытно-экспериментальная ВЭУ типа ГП-250. Однако после первых испытаний установка отправлена на завод для доработки и дополнительных стендовых испытаний. В 1994 г. на опытно-экспериментальной Калмыцкой ВЭУ смонтирована первая ветроустановка типа «Р-1» мощностью 1000 кВт.
mirznanii.com
Нетрадиционные источники энергии
Нетрадиционные источники энергии
Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Конечно, можно перейти и на другие невозобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез…
1. Ветровая энергия
Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.
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. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.
Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие – на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает 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.
2. Геотермальная энергия
Энергетика земли – геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.
К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты – горячей или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.
В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов.
Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.
Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещиноватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранее способов.
Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 °С.
3. Тепловая энергия океана
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического – 93 млн. км2, Индийского – 75 млн. км2. Так, тепловая (внутренняя) 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.
В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.
Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.
Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.
4. Энергия приливов и отливов.
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. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.
Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.
Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.
Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.
Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.
5. Энергия морских течений
Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).
Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами.
В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к 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.
Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.
6. Энергия солнца.
Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.
Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.
В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной.
Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.
Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.
Простейшее устройство такого рода–плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу. Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.
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. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят и они работают.
С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика – мощность всего 5 МВт. В определенном смысле она – проба сил. Хотя, казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительства гелиостанций в других странах.
На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу. Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях. По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.
Тем не менее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).
Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новые варианты, новые идеи. Недостатка в них нет. С реализацией хуже.
7. Водородная энергетика
Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока..
Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.
В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.
При сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30%.
studfiles.net
Традиционные и нетрадиционные источники энергии — курсовая работа
Содержание:
Введение……….………………………………………………
- Экологические проблемы использования традиционной энергии………5
- 1.1. Воздействие тепловой энергетики на окружающую среду…………….5
1.2. Воздействие ядерной энергетики на окружающую среду…………..….8
1.3. Воздействие гидроэнергетики на окружающую среду…………….….12
2. Нетрадиционные источники электрической энергии………………..….15
2.1. Гелиоэнергетика………………………………………
2.2. Энергия ветра…………………………………………………………..…
2.3. Геотермальные источники энергии…………………………………..…22
2.4. Энергия Мирового океана………………………………………………..23
Заключение…………………………………………….……
Литература……………………………………………………
Введение.
Слово “энергия” с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Имеются качественно разные физические формы движения материи, которые способны превращаться одна в другую в строго определенных отношениях (установлено в середине ХХ века), что и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Представление об энергии помогает понять невозможность создания вечного двигателя. Работа может совершаться только в результате определенных изменений окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды).
Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией. Энергия характеризует способность совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Работа – энергия в действии.
Виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.
В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую.
Широкое практическое использование электроэнергии в сравнении с другими видами энергии объясняется относительной легкостью ее получения и возможностью передачи на большие расстояния.
Традиционные источники электрической энергии:
- тепловая ТЭС,
- энергия потока воды – ГЭС,
- атомная энергия – АЭС.
Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии.
Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. При их сооружении также наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек.
Важнейшая особенность
гидротехнических ресурсов в
сравнении с топливно-
Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива.
Примерно 70% электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) кроме электрической электроэнергии вырабатывают тепловую энергию в виде подогретой воды и пара.
В мировом масштабе гидравлические станции (ГЭС) обеспечивают получение около 7% электроэнергии. Атомные электростанции (АЭС) вырабатывают около 20% электроэнергии, причем в ряде стран она является преобладающей (Франция ~ 74%, Бельгия ~ 61%, Швеция ~ 45%).
Себестоимость производства энергии ниже всего для ГЭС. Для ТЭС и АЭС она отличается незначительно, она зависит от места расположения станции, вида используемого топлива, способов удаления, хранения и захоронения отходов и других факторов.
Целью данной работы является изучение проблемы использования традиционных источников энергии с точки зрения экологии и рассмотрение возможной замены их использования нетрадиционными источниками энергии.
Работа основывается на обзоре отечественной и зарубежной литературы и материалов, полученных с помощью современных способов коммуникации (Internet).
1. Экологические проблемы использования традиционной энергетики.
1.1. Воздействие тепловой энергетики на окружающую среду.
Влияние тепловой энергетики на окружающую среду зависит от вида используемого топлива. Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следуют нефть (мазут), каменный уголь, бурый уголь, сланцы.
Основным способом получения энергии на сегодня является сжигание угля, нефти (мазута), природного газа, горючих сланцев на тепловых станциях (ТЭС). За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в промышленно развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. Например, в США нефть в общем энергобалансе страны составляет 44%, а в получении электроэнергии – только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии (52%). В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в России преобладающим источником получения электроэнергии является природный газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии, доля нефти не превышает 10%.
Сжигание топлива – не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Значительные территории земель отводятся при добыче угля для складирования пустой породы. Отвалы пустых пород пылят, часто самовозгораются и являются источников выбросов в атмосферу продуктов их горения.
В результате работы ТЭС в связи с недостаточной очисткой топочных газов и сжиганием низкосортного топлива, в атмосферу поступают различные газообразные загрязнители: основные из них: угарный газ (СО), углекислый газ (СО2), оксиды азота (NO, NO2), углеводороды (Cm Hn). а также высокотоксичное вещество бензапирен. ТЭС, работающие на угле, являются также источником выбросов диоксида серы (SO2). Поступление загрязнителей в атмосферу вызывает массу экологических проблем (парниковый эффект, смоги, кислотные дожди, нарушение озонового слоя и др.).
Они, вместе с
транспортом, поставляют в
В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.
Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества.
Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.
Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI столетия.
Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тони. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а, следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС – золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменить баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.
Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.
Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности, которые разносятся ветром и накапливаются и на прилегающей территории.
Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.
ТЭС – существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).
1.2. Воздействие ядерной энергетики на окружающую среду.
Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.
Первая АЭС была введена в эксплуатацию в Обнинске под Москвой в 1954 году. Мощность ее составляла 5000 квт. В середине 80-х годов в мире насчитывалось более 400 АЭС. Основными преимуществами атомной энергетики, по сравнению с тепловой, является меньший объем потребляемого топлива и отсутствие постоянных выбросов в атмосферу продуктов сгорания.
За 30 лет существования АЭС в мире произошло три больших аварии: в 1957 г. – в Великобритании; в 1979 г. в США и особенно в 1986 г. на Чернобыльской АЭС (крупнейшая катастрофа в мире).
До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.
yaneuch.ru
Нетрадиционные (возобновляемые) источники энергии | sibac.info
Бахматов Дмитрий
класс 10, МОУ СОШ №8 Советского района г. Волгограда
Попова Нина Ивановна
научный руководитель, педагог высшей категории, преподаватель физики, МОУ СОШ № 8 г. Волгограда
Вступление
Нетрадиционными источниками энергии являются солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин. Эти варианты получения энергии как дополнительной используются в последнее время всё чаще. Многие учёные убеждены, что к 2030—2050 гг. нетрадиционные (возобновляемые) источники энергии будут основными, а традиционные потеряют своё значение.
Цель статьи: познакомиться с нетрадиционными источниками энергии, их достоинствами и недостатками, а также выяснить для себя перспективы внедрения возобновляемых источников энергии на территории Волгоградской области.
Сегодня подавляющее большинство людей знают о том, что запасы углеводородов не беспредельны, что органическое топливо нужно беречь. Вот почему изучение и использование нетрадиционных источников энергии является актуальным. Многие страны довольно широко используют нетрадиционные источники. Уже несколько лет в Волгоградской области внедряются энергосберегающие установки с использованием энергии ветра, солнца, гидроресурсов, отходов сельского хозяйства, так как этому способствуют географическое положение и климатические условия нашего региона.
Солнечная энергия
Солнечная энергия неисчерпаема. Существует несколько вариантов её использования. При физических способах усвоения солнечной энергии используют гальванические батареи, которые поглощают её и преобразуют в тепловую или электрическую энергию, либо системы зеркал, отражающих лучи солнца и направляющих их на заполненные маслом трубы, которые концентрируют солнечное тепло. Волгоградская область находится на юге нашей страны, значит, в перспективе нехватку энергии без проблем можно компенсировать за счёт солнечной энергии. А вот жителям Крайнего Севера, Сибири, Якутии и т. д. в этом плане сложнее. Я считаю, что в этой местности как раз можно использовать солнечные коллекторы для обеспечения населения электроэнергией, особенно летом. Использование солнечных коллекторов может частично решить экологическую проблему и использовать энергию для бытовых нужд (подогрев воды, обогрев теплиц и т. д.). Наиболее успешно солнечная энергетика развивается в Японии и Израиле, где за её счёт почти полностью покрывается потребность в отоплении жилья и подогреве воды для бытовых нужд. «Совместный алжирско-японский проект SaharaSolarBreederобещает превратить пустыню Сахара в чащу солнечных батарей, способных к 2050 г. обеспечить до половины мировых потребностей в электроэнергии» [6, с. 24]. В принципе солнечную энергию можно использовать в любом уголке земли.
Одним из наиболее перспективных источников энергии на Земле является биомасса, так как она доступна в неограниченных количествах. Биомасса делится на первичную и вторичную.
Древесину, отходы сельскохозяйственного производства, высушенные водоросли, которые перерабатываются в спирт и т. д., затем используют для получения энергии. Биологическим вариантом использования солнечной энергии является и получение биогаза из навоза, который сбраживается без доступа воздуха. В настоящее время в мире накопилось много мусора, который ухудшает состояние окружающей среды. Мусор губительно влияет на людей, животных, птиц, на всё живое на земле. Такие свалки находятся вблизи моего пос. Горьковский Советского района г. Волгограда: за железнодорожной горкой вдоль Ростовской трассы перед селом Рогачик, в балке с. Песчанка, на ст. Бирюзовая и т. д. Много стихийных свалок образовалось вдоль балок устья реки Царица. Подобных свалок огромное количество во всех как крупных, так и мелких городах и селениях нашей страны. В связи с этим, я думаю, что нужно развивать энергетику с использованием вторичной биомассы, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. У меня появилась мысль исследовать свалки посёлка, выяснить, сколько мусора вывозится и сколько его нужно, чтобы обеспечить мой посёлок электроэнергией, полученной от сжигания мусора. Мои расчеты показали, что пос. Горьковский сможет себя обеспечить энергией биомассы за счёт своего же мусора. Причём с биомассой практически весь мусор будет сжигаться, и отходов почти нет. Так будет решена проблема уничтожения мусора и обеспечения посёлка электроэнергией при минимальных затратах. Прекрасно можно решить эту проблему и в других городах, что уже решается успешно в западных странах. В ходе исследования мною был проведён небольшой социологический опрос среди населения пос. Горьковский, результаты которого показали, что большинство участников опроса положительно относятся к использованию энергии биомассы.
Преимущества биоэнергии
Это возобновляемая энергия, которая не увеличивает концентрацию углекислого газа в атмосфере, решает проблему использования отходов (мусора), а, значит, помогает улучшить экологию и сделать мир чище.
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.
Достоинства солнечной энергетики
Достоинства солнечной энергетики заключаются в общедоступности и неисчерпаемости источника, в полной безопасности для окружающей среды, это экологически чистый источник энергии, что очень важно именно теперь.
Недостатки солнечной энергетики
Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно. Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.
Использование энергии ветра
Человечество научилось использовать энергию ветра на ранней стадии своего развития. Ветряные электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Современный ветряк — сложное устройство. В нём запрограммирована работа в двух режимах — слабого и сильного ветра и остановка двигателя, если ветер станет очень сильным. Недостатком ветряных двигателей являются шумы, которые производят лопасти пропеллера во время вращения. Если ветряк мощный, то шумовое загрязнение делает опасным длительное пребывание людей в зоне работы установки. Наиболее оправданы небольшие ветряки для обеспечения дешевой и экологически безопасной электроэнергией отдельных ферм, дачных участков. К числу передовых стран по использованию энергии ветра относятся: Германия, Дания, Испания, США. В России за последние 5 лет построено несколько ветроэнергетических установок: в Башкирии, в Калининградской области, на Командорских островах, в Мурманске. Перспективно использование ветроустановок в Калмыцких степях, граничащих с Волгоградской областью, так как там ветры дуют, как правило, постоянно и только в одном направлении. В настоящее время там довольно широко используются ветроустановки для обеспечения электроэнергией небольших населённых пунктов Колмыкии. По окраинам Волгограда тоже расположены ветряки местного назначения. Автономные ветроэлектроустановки появились в удалённом от электрических сетей пос. Осипово Калачёвского района, на чабанских точках Волгоградской области. Обсуждается проект первого в России ветропарка мощностью 1 ГВт, который будет построен в Волгоградской области. Общая мощность ветроагрегатов в России превысила 10 МВт.Простейший способ использования энергии ветра впрок 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. «Особенно перспективно развитие ветроэнергетики в комплексе с другими возобновляемыми источниками для энергоснабжения изолированных населённых пунктов, удалённых от других энергоисточников» [9, с. 75].
Недостатки ветровой энергетики
Прежде всего, ветроустановки неблагоприятно влияют на работу телевизионной сети. Другая особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт.
Достоинства ветровой энергетики
Отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и т. д. Возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона.
Приливные электростанции (ПЭС)
«За счёт использования энергии приливов в России можно покрывать более 25 % текущего энергопотребления страны» [7, с. 14].Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская) мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции нужен бассейн, перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор. По принципу действия гидравлические турбины подразделяют на: активные и реактивные; по конструкции — на вертикальные и горизонтальные. Мощность гидрогенераторов от нескольких десятков до нескольких сотен МВт. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. В России c 1968 года действует «экспериментальная» ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря мощностью 0,4 МВт. Это первая и пока единственная приливная электростанция в России. В 2006 году на станции был установлен опытный образец наплавного блока, на котором расположен оригинальный гидроагрегат ОГА-5 мощностью 1,5 МВт.«Начиная с 1966 года, два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счёт приливных электростанций» [9, с. 78]. В Урюпинском районе Волгоградской области для освещения наплавного моста через Хопёр была построена мини-ГЭС волнового типа, работающая на энергии течения воды. Наличие Волги, Дона и малых рек диктует грамотное использование гидроресурсов Волгоградской области.
Недостатки приливных электростанций
Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым — условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.
Достоинства приливных электростанций
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Не загрязняет атмосферу. Дешёвая и возобновляемая энергия. Сокращает уровень добычи, транспортировки и сжигания органического топлива.
Использование геотермальных источников
В этом случае подразумевается использование тепла земных глубин (глубинных горячих источников). Это тепло можно использовать практически в любом районе, но затраты окупаются только там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры. Это районы активной вулканической деятельности и гейзеров, например, Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага, Исландия, Новая Зеландия.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. Это даёт возможность получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях. Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается в очень слабой концентрации 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.
Преимущества геотермальных источников
Во-первых, их 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. Считаю, что эта цифра в последнее время изменилась в сторону увеличения. 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. А это не так уж и мало.
Недостатки геотермальных источников
Главная проблема заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности, так как эти вещества оказывают губительное действие на всё живое на земле.
Заключение
Я пришёл к выводу, что нетрадиционную энергетику необходимо внедрять в жизнь. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы использования энергии. Потребление электроэнергии — важный показатель жизненного уровня. Трудно переоценить значение и перспективы использования возобновляемых источников энергии в современном мире. Пока у нас есть солнечный свет, ветер и вода, у нас будет доступ к мощной энергии, заключённой в этих источниках. Чистая энергия солнца, ветра и воды — фундамент энергетики будущего, энергетики, основанной на ничтожно малых выбросах. Необходимо, чтобы государствам стало более выгодно использовать энергию чистых источников. Сейчас начинается новый этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, а заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию. Моё поколение должно быть готово к практическому использованию возобновляемых источников энергии.
Список литературы:
- Аркуша М.И. Элективный курс «Энергетика и окружающая среда», 11 класс. — Волгоград: 2010 г.
- Калашников Н.П. «Альтернативные источники энергии» М.: Знание 2008 г.
- Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии — География в школе. 4/88 — М.: Педагогика. 2008 г.
- Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. — М.: Наука, 2009 г.
- Ревелль П., Ревелль Ч. «Энергетические проблемы человечества» Мир, 2005 г.
- Физика № 7 2011 г. Изд.дом Первое сентября
- Экология и право (Возобновляемая энергетика) г. СПб. 2008 г.
- Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И. — М.: Энергоатомиздат. 2005 г.
- Энергия и окружающая среда (учебное пособие для ср. школы) г. СПб. 2008 г.
sibac.info
Экологически чистые способы получения энергии
Стратегии низкоуглеродных технологий по планам должны стабилизировать климат к 2050 году. К таким технологиям относятся обезуглероживание каменного угля, топливные элементы, биоэнергия, эффективные электростанции.
Для решения нависшей над планетой и каждым её жителем угрозы нужны значительные инновации в деле получения энергии. Современный рынок нуждается в низкоуглеродных способах добычи, причем за последние несколько лет рынок чистых видов энергии развивается в геометрической прогрессии. Не только отдельные ученые и организации стремятся к решению энергопользования. Как показывают исследования, большинство жителей США, к примеру, очень положительно относятся к рационализации использования энергии.
Крупнейшие нефтяные фирмы делают определенные шаги для защиты окружающей среды. Рост инвестиций на разработку возобновляемых источников энергии опережает затраты на классическое ископаемое топливо. Тем не менее, все это лишь часть необходимых усилий, необходимых для окончательного разрешения проблем экологии, глобального потепления. В будущем требуется радикальный подход к экологичному топливу в любой сфере жизни человека.
Как правило возобновляемым источникам энергии относят энергию ветра, солнца, биомассу, океана, приливов или волн, также – топливные элементы, геотермальная энергия. Как результат, в развитых странах постепенно отказываются от применения каменного угля вовсе. Так, за последние пять лет в США не было основано ни одной электростанции на угле.
Однако, для решения проблем необходимы инновации в низкоуглеродные технологии. Следует расширить использование перечисленных выше источников и развивать низкоуглеродные технологии, такие как связывание углерода и т.д. Соответственно, следует развивать и смежные области – нанотехнологии и биоэнергия.
Для решения проблемы необходимы не только политические решения, но и творческий подход для внедрения новаторских стратегий для реализации всех запланированных решений, чтобы добиться стабилизации экологического состояния во всем мире к 2050 году. Уже сейчас существуют системы финансирования инновационных технологий в особо острых областях производства.
Обезуглероженный каменный уголь – современное топливо для промышленности. Комплекс газификации каменного угля олицетворяет новое поколение электростанций, которые значительно превосходят тепловые станции по всем параметрам. Они снижают уровень выбросов, в том числе – оксидов серы, азота, макрочастиц, ртути до полного сгорания.
Обезуглероживание каменного угля осуществляется скрубберами, связывающими углерод в комплексной газификации (или включить этот цикл вместе со связыванием углерода. Эти методы уже применяются в промышленности, но необходимо применять их в широких масштабах, чтобы они могли конкурировать с углеродными станциями, а в перспективе – полностью прекратить строительство последних.
Дата публикации: 24.11.2013
Похожие записи:
nacep.ru