Альтернативные источники энергии и их использование

1.3. Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие  разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался  над тем, нельзя ли использовать энергию  ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать  древние персы свыше 1,5 тыс. лет  назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они  не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в  Голландии. Первый электрогенератор был  сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни  подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы оцениваются в 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно  работающих в любую погоду под  открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция  такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ  или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач  в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются  за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот, в свою очередь вырабатывает электрическую энергию. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии  ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде  самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда  у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль  и насажанную на ось бочку; некое  подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены  между собой. Вертикальные конструкции  хороши тем, что улавливают ветер  любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру. Что бы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. 

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной  мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится  всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

1.4. Энергия воды

Уровень воды на морских  побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо  заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние  греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в  мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через  каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется  отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты  неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен  бассейн – перекрытый плотиной залив  или устье реки. В плотине имеются  водопропускные отверстия и установлены  турбины. 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. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС  в районах с приливными колебаниями  уровня моря не менее 4 м. Проектная  мощность ПЭС зависит от характера  прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях  турбины двустороннего действия работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была запущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место  ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив  шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских  работ в области использования  энергии приливов.

Существуют проекты крупных  ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где  амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также  огромный потенциал Охотского моря, где местами высота приливов составляет 12,9 м (Пенжская губа), Гижигинской губе – 12-14 м.

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. А возможность использовать бесплатинные ПЭС, основанных на трубе Горлова, подчёркивает их экономическую выгоду.

1.5.Энергия волн

Идею использования морских волн для получения электроэнергии изложил К.Э. Циолковский в 1935 г.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в  виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений  с помощью электрогенераторов преобразуется  в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит  из него, то входит. Но движение воздуха  возможно только лишь через верхнее  отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся  всегда в одном направлении, независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту.

Другой тип установки  – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный  на опорах на небольшой глубине. Волны  проникают в ящик и приводят в  действие турбину. И здесь для  работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой  в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические  установки используются для энергопитания  автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции  могут быть использованы для волнозащиты  морских буровых платформ, открытых рейдов, морекультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание  от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается  значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с  пневматическими преобразователями  под действием волн воздушный  поток периодически изменяет свое направление  на обратное. Для этих условий и  разработана турбина Уэллса, ротор  которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления  воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое  применение в различных волноэнергетических  установках.

Волновая энергетическая установка «Каймей» (»Морской свет») – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими  преобразователями – построена  в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока.

В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу.

Впервые конструкция волнового  плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. Испытывалась же она в 70-х гг. на Черном море, имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2.  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНИТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

2.1. Использование  альтернативной энергии в мире

Энергетическая безопасность сегодня практически во всем мире воспринимается почти наравне с военной. Поиск путей диверсификации источников и поставщиков энергии - вопрос не только политических предпочтений, но, по сути, проблема энергетического суверенитета.

Почти 40 лет назад, в 1973 году, разразился так называемый нефтяной кризис, в  результате которого цена на нефть  в течение следующего года выросла  в четыре раза. Ситуация, когда развитые страны в одночасье осознали, насколько  их экономики зависимы, во-первых, от импорта (причем из нестабильного региона) и, во-вторых, от углеводородов, стала  для Запада настоящим шоком.

Взоры флагманов ведущих экономик устремились к энергетическим альтернативам  традиционным углеводородам, а после  аварии на японской АЭС "Фукусима" под сомнением оказалось и  будущее атомной энергии, прежде всего в некоторых европейских  странах. Особенно это касается крупнейшей европейской экономики - Германии. Правительство  этой страны объявило о решении прекратить эксплуатацию всех АЭС страны к 2022 году (до "Фукусимы" речь шла о 2035 годе). При этом ключевую роль должен сыграть  переход к снабжению из ВИЭ, доля которых в общей структуре  энергопотребления страны к 2020 году должна дойти до 25-30 процентов (уже  сейчас этот показатель составляет 14 процентов, доля построенного жилья, отапливаемого  с помощью ВИЭ, возросла за 4 года с 5 до более 26 процентов). Но, разумеется, активность проявляют не только европейцы: в Америке, по данным министерства энергетики США, к 2020 г. объем производства электроэнергии на базе ВИЭ может возрасти с 11 до 22 процентов. К 2020 г. мощность только солнечной  энергетики Японии составит 37 ГВт, что  в 26 раз превышает уровень 2005 г.

Программы развития альтернативной энергетики приняты в более чем 60 государствах, подавляющее большинство которых  развивает ВИЭ вне зависимости от наличия углеводородного сырья. Мотивы у всех разные: создание условий для развития и модернизации действующих производств, научных институтов, создание новых рабочих мест, решение принципиальной для тех же европейцев задачи по снижению объемов вредных выбросов в атмосферу.

В последнее время наибольшая активность наблюдается именно в секторе  солнечной энергетики, что связано  с удешевлением технологий и с  появлением более эффективного оборудования. Из всего объема инвестиций в альтернативную энергетику (ежегодные расходы на НИОКР в сфере нетрадиционной энергетики составляют в мире не менее 1 млрд долларов) на долю солнечной за прошлый год пришлось около 40 процентов. По оценкам экспертов Международного энергетического агентства (МЭA), к 2050 г. 20-25 процентов потребностей человечества в электричестве будет обеспечено за счет солнечной энергии.

В этом сегменте как наиболее оправданные  и рациональные с точки зрения расходования государственных средств  зарекомендовали себя такие инструменты  господдержки, как софинансирование проектов строительства солнечных  электростанций, а также тарифная политика, направленная на стимулирование использования чистой энергии конечными  потребителями, государственными организациями  и промышленными предприятиями.