Альтернативные источники энергии

Введение

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

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

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

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

Солнечная энергия

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

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

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

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

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

Однако  даже при наилучших атмосферных  условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м². Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км 2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Энергия ветра

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Широкому  применению ветроэлектрических агрегатов  в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется  говорить, что за ветер платить  не нужно, однако машины, нужные для  того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

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