Альтернативные источники питания

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно- Уральский

государственный университет» (национальный исследовательский

университет) в г. Сатке  

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

По дисциплине: «Общая энергетика»

Тема: Альтернативные источники питания

                                                                            Выполнил:

                                                                                           студент 3 курса

                                                                                               группы  ЭлЗ – 390

                                                                                    Панов С. А.

                                                                                     Проверила:

                                                                                            Михайлов В. В.                                                  

Сатка 2013

Содержание

Введение

В последнее время отовсюду слышится об энергетическом кризисе. Настораживает? Конечно, всё может быть, но в любой ситуации нужно знать, что вообще можно сделать в сложившихся условиях. Особо в кризисе винить некого. Что бы не делало правительство, как бы не вели себя соседние страны с богатыми ресурсами, логично можно предположить, что запасы топлива рано или поздно заканчиваются. И если продолжать их использовать в том же темпе, газ и нефть скоро могут совсем закончиться. Как утверждают статистики, в самом лучшем случае на территории СНГ газа хватит не больше чем на 70 лет. А через 35 лет исчерпаются запасы нефти в Саудовской Аравии. Самый интересный вопрос – как быть дальше?

Единственный ответ – искать альтернативные выходы. В принципе первые шаги к этому уже осуществляются. К примеру, в Бразилии уже лет через пять хотят сделать так, чтобы 80 процентов транспорта работало на этаноле, а его добывают из сахарного тростника. Исландия планирует полностью пользоваться только энергией возобновляемых источников вместо органического топлива уже к 2050 году. Швеция и того раньше – к 2020 г. В Германии и Испании каждый год на 25 % увеличивается использование энергии ветра. США занимается развитием атомной энергетики. Разумно поступает и Великобритания, используя ветряную энергию и энергию волн. Естественно, что такой энергией можно будет пользоваться намного дольше.

Чем же может похвалиться Украина? Во-первых, это образование Института Обновляемой Энергетики, что случилось относительно недавно. А ещё раньше, в 1997 году был создан Институт Общей Энергетики. Информации о них крайне мало, но по крайней мере можно надеяться, что хоть какие-то работы ведутся.

Альтернативные источники питания

Мы можем достичь богатства, во всем мире разумно используя наши технологии и заботясь об окружающей среде. Это совсем другая система и о ней очень трудно говорить потому, что общество не достаточно информировано об уровне технологий.

  В настоящее время мы не  должны сжигать ископаемое топливо, мы не должны использовать ничего из того, что загрязняет окружающую среду. Существует много источников энергии. Проталкивание влиятельными людьми такие альтернативные источники энергии как водород, биомасса, даже ядерная энергия крайне недостаточно. Опасность существует также для сохранения системы основанной на прибыли. Когда мы присмотримся, то увидим лишь пропаганду и эгоистичные решения, продвигаемые энергетическими компаниями. Мы открыли, по-видимому, неисчерпаемый источник энергии, имеющийся в избытке и возобновляемой энергии.

Солнечная энергия и энергия ветра

  широко известны людям, но настоящий  потенциал этих источников энергии  замалчивают. Солнечная энергия, производимая Солнцем настолько сильна, что 1час света в жаркий солнечный день содержит энергии больше чем весь мир потребляет за год. Если бы мы могли поймать хоть одну сотую процента этой энергии, то нам бы никогда больше не приходилось использовать нефть, газ или что-либо еще. Проблема не в доступности этой энергии, а в технологии, с помощью которой можно ее преобразовывать. В наши дни существует много продвинутых технологий, которые могут осуществить эти задачи, если бы они небыли блокированы необходимостью конкурировать за долю рынка с уже существующими энергетическими корпорациями.

Не стоит забывать и про энергию ветра. Энергия ветра долгое время считалась слабой и учитывая привязки к определенной местности – непрактичной. На самом деле не так, в 2007 году департамент США сообщил, что если б энергию ветра использовали хотябы в 3 из 50 американских штатах, то это бы позволило обеспечить энергией все государство.

Также существует малоизвестный способ получения энергии из волн и приливов. Энергия приливов добывается благодаря движению воды в океане. Установив специальные турбины можно ловить эти движения воды и посредством этого получать энергию. На данный момент в Великобритании доступно 42 подходящих для установки турбин места. По прогнозам можно обеспечить около трети необходимой Великобритании энергии используя лишь энергию приливов. Сила морских волн существующих благодаря движению океана может в глобальных масштабах приносить 80000 кв./час каждый год. Это означает, что 50% всей использованной нами энергии может быть получено с помощью несколько волн. Очень важно отметить, что при образовании энергии приливов, волн, солнца, и ветра фактически не требует заготовки энергии для последующего использования в отличие от угля, нефти, газа, биомассы, водорода, а также всех остальных подобных источников энергии.

Если разумно использовать лишь эти 4 источника энергии и применить самые последние разработки, то можно обеспечить энергией весь мир навсегда.

Также существует еще одна форма экологически чистой и возобновляемой энергии, которая превосходит все остальные – это ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ энергия. Геотермальную энергию можно получить путем утилизации так называемого тепа земных недр, когда при помощи элементарного процесса с использованием воды можно генерировать огромное количество чистой энергии. В 2006 году Масачусетский технологический институт открыл, что на земле в настоящее время доступно 13000 ZJ (зетаджоулей) энергии с возможностью использовать еще 2000 ZJ при некотором развитии технологии. Суммарное потребление энергии земного шара составляет примерно 0,5 ZJ в год, а это означает, что на протяжении 4000 лет мы можем получать количество энергии необходимой всей планете только из этого источника. И когда мы понимаем, что тепло нашей планеты постоянно восполняется становиться очевидным что его можно использовать вечно.

Эти источники энергии лишь немногие из взобновимых энергетических ресурсов, которые нам доступны и со временем мы только будем находить новые, а в смысле это становится очевидным, что мы имеем огромное изобилие энергии с возможностью обойтись без загрязнения окружающей среды, традиционных методов охраны природы и особенно денег.

А как на счет транспорта? Традиционным транспортным средством в наше время является автомобиль и самолет. Области, в которых используется ископаемое топливо для своей работы. В случае с автомобилем требуемым технологии акумулыторов обеспечивающих электрический автомобиль энергией достаточных для движения со скоростью 160 км/час на протяжении 320 км на одном заряде, существуют и существовали в течении многих лет. Однако из-за патентов на аккумулятор контролируемых неземной промышленностью, которые ограничивают их использование для сохранения своей доле на рынке, сочетаем с политическим давлением со стороны энергетики доступность по применению этой технологии, является ограниченной. И нет абсолютно никаких причин кроме чистой и безнравственной заинтересованности в прибыли против того, чтобы каждый автомобиль в мире стал электромобилем совершенно безопасным для экологии и без необходимости заправлять его бензином. Что касается самолета, в настоящее время мы поняли, что этот способ передвижения неэффективный, обременительный, медленный и вызывает слишком много загрязнений.

Это поезд на магнитной подвеске и он использует магниты в качестве двигателя. Магнитное поле удерживает его в воздухе и требует минимум 2% энергии используемых в самолетах. У этого поезда нет колес, поэтому ничего не изнашивается. Текущая максимальная скорость поезда с этой технологией, которую используют в Японии 580 км/час. Однако и эта версия поезда уже устарела. Организация под названием ЕТ3, которая связана с проектом «Венера», разработала Магнитоплан, который способен передвигаться быстрее 6400 км/час в неподвижной, свободной от трения трубе лежащей на земле или под водой. Только представьте из Лосанжелеса в Ньюйорк за обеденный перерыв или из Вашингтона в Пекин за 2 часа, это будущее континентальных и межконтинентальных путешествий. Быстро, чисто и при этом затратив лишь часть энергии используемых нами сегодня для тех же целей.

В действительности же если использовать технологии магнитных подвесок, аккумуляторных батарей и геотермальной энергии, то не останется никаких причин возвращаться к сжиганию ископаемого топлива. И мы можем это сделать, пряма сейчас если бы нас не сдерживала централизующая система, основанная на выгоде.

Преимущества солнечной энергетики

Солнце - энергия доступная бесплатно, которая может использоваться разными способами. Энергия от солнца может использоваться тремя основными способами, и при разговоре о солнечной энергии важно различать эти три типа: 
1. Пассивное тепло – тепло, которое мы получаем от солнца естественно. Его можно брать во внимание и использовать в проектах зданий так, чтобы меньше требовалось дополнительного обогрева. 
2. Солнечный тепловой тип, где мы используем тепло солнца, чтобы нагреть воду для домов или бассейнов (также системы нагрева).  
3.Фотовольтаический тип (энергия PV) - использование солнечной энергии для создания электричества, чтобы работали электронные устройства и освещение. Фотовольтаическая система требует не прямой, а только дневной свет, чтобы генерировать электричество.

Процесс превращения солнечного света в электричество.

"Фотовольтаика" - соединение  двух слов: "фото" - от греческих  корней, означает свет, и "вольтаика" - от "Вольт", что является параметром, который используют для измерения  электрического напряжения.

Фотовольтаические системы используют ячейки преобразующие солнечное излучение в электричество. Система состоит из одного или двух слоев полупроводниковой структуры. Когда свет падает на ячейки - это создает электрическое поле, которое проникая через слои вырабатывает электричество. Чем больше интенсивность света, тем больше поток электричества.

Наиболее распространенный полупроводниковый материал, используемый в фотовольтаической системе - кремний, элемент которого больше всего обычно находится в песке. Нет никакого ограничения к его доступности как к сырью; кремний является вторым по распространенности материалом на земле.

Фотовольтаическая система не нуждается в ярком солнечном свете чтобы работать. Она может генерировать электричество даже в облачные дни. Из-за отражения солнечного света, в слегка облачные дни можно даже получать более высокие энергетические урожаи, чем в дни с абсолютно безоблачным небом.

Десять причин для перехода на солнечную энергетику.

Солнечная энергия может стать главным источником электроэнергии из-за многочисленных экологических и экономических преимуществ и доказанной надежности.

1. Топливо свободно. 
Солнце - единственный ресурс, приводящий в действие солнечные батареи. Солнце - вечный источник света. Кроме того, фотовольтаические ячейки сделаны из кремния, а кремний - богатый и нетоксичный ресурс, второй по количеству материала на земле.

2. Без шума, без  вредной эмиссии или загрязнений  газом.  
Горение естественных ресурсов для энергии может создать дым, вызвать кислотный дождь, загрязнить воду и загрязнить воздух. Углекислый газ CO2, парниковые газы, также вредны. Солнечная энергия использует только питание солнца как топливо. Это не создает вредного побочного продукта и активно способствует уменьшению глобального потепления.

3. Системы PV безопасны  и высоконадежны. 
Предполагаемое время жизни модуля PV - 30 лет. Кроме того, его производительность очень высока и обеспечивает более чем 80 % начального питания после 25 лет эксплуатации. Это делает фотовольтаику очень надежной технологией в долгосрочной перспективе. Кроме того, очень высоки стандарты качества, установленные на европейском уровне, которые гарантируют то, что потребители покупают надежную продукцию.

4. Модули PV могут  быть переработаны и поэтому материалы, используемые в производственном процессе (кремний, стекло, алюминий, и т.д.), могут быть снова использованы. Рециркуляция не только выгодна для окружающей среды, но также и потому, что дает возможность уменьшить энергозатраты, материалы и стоимость производства.

5. Система не  требует особого обслуживания. 
Солнечные модули работают автоматически и легки в установке.

6. Электричество  в отдаленных сельских районах. 
Солнечные системы дают дополнительную помощь сельским районам (особенно в местах, где другое электричество недоступно). Освещение дома, системы охлаждения больницы и закачка воды - часть из многих возможностей, которые станут более доступны. Телекоммуникационные системы в отдаленных областях также доступны пользователям систем PV.

7. Модули могут  быть эстетически интегрированы  в здания (BIPV). 
Системы могут покрывать крыши и фасады, содействовать уменьшению энергетических затрат здания. Они не производят шум и могут быть интегрированы разными эстетически приемлемыми способами. Этот факт ускоряет разработку экозданий и положительной энергии здания (E+ зданий) и открывает много возможностей для лучшей интеграции систем PV в искусственной среде.

Ячейки PV, используемые в качестве зонтика в офисном здании

Система PV интегрирована в фасаде

Полупрозрачный фасад

Система PV интегрирована в фасаде

8. Время энергетической  окупаемости модулей постоянно  уменьшается.  
Это означает что время, требуемое для окупаемости модуля солнечной батареи очень мало, оно изменяется от 1,5 до 3 лет. Поэтому модуль производит в 6 - 18 раз больше энергии, чем ее необходимо произвести для окупаемости.

9. Создание тысяч  проектов.  
Сектор PV, со средним ежегодным ростом более 40 % в течение прошлых лет, все более и более способствует к созданию тысяч проектов по всей Европе и во всем мире.

10. Улучшение безопасности  энергоснабжения Европы. 
Чтобы покрывать 100% требуемой электроэнергии в Европе, необходимо всего лишь 0,7% общей площади континента Европы занять модулями солнечных батарей. 
Поэтому солнечная энергетика играет крайне важную роль в улучшении безопасности энергоснабжения Европы.

Перспективы солнечной энергетики и фотовольтаики

Немного теории: об устройстве и видах солнечных панелей.

На сегодняшний день существует множество различных видов солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую, и классифицировать их можно по-разному. В первую очередь стоит обратить внимание на технологию изготовления фотоэлектрических преобразователей, из которых они собираются.

Наиболее широко распространены кристаллические фотоэлектрические преобразователи, изготовленные из моно- или мультикремния, а также тонкопленочные солнечные элементы на основе таких материалов, как аморфный кремний, теллурид кадмия, арсенид галлия, фосфид индия и некоторых других соединений. По последним оценкам рыночная доля кристаллических солнечных элементов составляет около 93%, а тонкопленочных – около 7%, соответственно.

Также существуют такие более экзотические направления как концентраторные и электрохимические солнечные элементы, но их доли еще очень малы. Такие разработки относятся больше к сфере научных исследований, чем к производству в промышленных масштабах.

Кроме того, солнечные батареи можно классифицировать по сфере их применения – наземного или космического назначения. Самым массовым сегментом являются, конечно же, кристаллические кремниевые солнечные батареи наземного назначения. В первом приближении, конструкция таких батарей представляет собой «многослойный пирог» из защитного стекла, спаянных между собой солнечных элементов, нескольких слоев клеющих и защитных материалов. Все это герметично собрано и упаковано в алюминиевую раму, снабжено небольшой распределительной коробкой и выводами для подключения к нагрузке.

Важно помнить:

Стекло на лицевой стороне модуля выполняет защитную функцию, пропуская при этом излучение до рабочих фотоэлементов. При эксплуатации рабочую поверхность батарей необходимо держать открытой и чистой, иначе их эффективность резко падает. Часто потребители спрашивают, что будет, если на поверхность батареи, например, попадут листья или ляжет снег. Ни в том, ни в другом случае ничего страшного не произойдет. Просто временно снизится эффективность выработки электроэнергии, т.е. упадет мощность системы. Но солнечные батареи монтируются под некоторым углом к горизонту, поэтому любым загрязнениям не просто удержаться на их поверхности. Но техническое обслуживание в виде периодической очистки поверхности, безусловно, необходимо.

Если говорить о сроке эксплуатации современных солнечных батарей, то он приближается к отметке 30 лет. Гарантийный же срок зависит от производителя, обычно это 1 год или 2 года.

Плюсы и минусы использования солнечных систем:

Среди преимуществ «солнечной» электроэнергии в первую очередь можно выделить тот факт, что такие системы на протяжении всего срока эксплуатации генерируют значительно больше энергии, чем было затрачено при их производстве. Например, кремниевые солнечные батареи, работающие в таких солнечных странах как Испания, возвращают энергию, потраченную на их производство, в течение первых 2-х лет, а служат – не менее 20 лет.

Следующим преимуществом является постоянное снижение стоимости солнечной электроэнергии, которая по прогнозам аналитиков сравняется со стоимостью традиционной не позднее 2015 года. Кроме того, массовая выработка «солнечной» электроэнергии не требует использования полезных и зачастую дорогих земель, так как батареи могут монтироваться на крышах или фасадах существующих зданий и сооружений, защитных заграждениях автобанов и т.п.

С технической точки зрения преимущества солнечных систем заключаются в отсутствии необходимости использовать любые виды топлива, а также в отсутствии движущихся частей, которые шумят и изнашиваются. Нет необходимости в проведении трудоемкого технического обслуживания инсталлированных систем для поддержки их в работоспособном состоянии.

Что касается недостатков, то главное – это неспособность в настоящее время конкурировать по стоимости с традиционными видами электроэнергии. Без государственной поддержки использовать солнечные системы в местах, где есть нормальный доступ к сети, сегодня нецелесообразно. И это хорошо видно в странах СНГ, где стоимость инсталляции простой системы для загородного дома достигает нескольких десятков тысяч евро с соответствующими немалыми сроками окупаемости вложений.

Независимость и престиж.

Применение солнечной электроэнергетики имеет экономический смысл там, где существует государственная поддержка этого направления. Среди стран, проводящих подобную политику, самую заметную роль играют Германия, Испания, Италия, США, Южная Корея и Япония. Именно они и формируют сегодня мировой рынок солнечной энергетики.

В странах СНГ же солнечные батареи используются пока очень слабо. Есть всего несколько успешно завершенных проектов, но их все можно пересчитать по пальцам.

Частные лица в основном ставят солнечные панели для резервного энергообеспечения коттеджей или используют их для организации ландшафтного освещения. Но цена вопроса для них все еще остается очень высокой. Говорить о целесообразности использования солнечных систем в СНГ пока можно лишь в нескольких случаях:

Во-первых, если для этого есть острая необходимость, т.к. объект удален от централизованной линии электропередач, и проложить кабель будет неоправданно дорого или для этого нет физической возможности.

Во-вторых, если есть желание получить определенную независимость, т.е. получать «бесплатную» и чистую энергию от собственной автономной электростанции и при этом не зависеть от государства.

В-третьих, если нужно обеспечить стабильность и экологическую чистоту электрообеспечения, т.е. если в доме часто пропадает свет и есть проблемы с надежностью подачи электроэнергии, но при этом нет никакого желания ставить дизель-генератор (шум, неприятные запахи, необходимость регулярного технического обслуживания и т.п.).

В-четвертых, если необходимо воплотить дизайнерское решение – например, вы хотите, чтобы все ландшафтное освещение и подсветка вашего дома работали от солнца.

В-пятых, если есть желание и возможность идти в ногу со временем – вы помешаны на энергосбережении, экологии и новых технологиях.

Ну и последнее – если нужно подчеркнуть собственный престиж и выделиться среди знакомых, т.к. мало кто сегодня может позволить себе фишку в виде полноценной солнечной системы электрообеспечения своего дома.

Сегодняшние реалии возрастающих глобальных энергетических проблем делают все более актуальными вопросы перехода к альтернативным источникам энергообеспечения. Имеющая место ориентация на нефть, газ и ядерную энергию может привести некоторые страны к серьезной энергетической зависимости от крупнейших мировых поставщиков сырья и уже сегодня ставит под угрозу экономическую безопасность этих стран. Очевидно, что альтернативные источники энергии не смогут решить в ближайшие годы все проблемы, но ориентация на них и, в том числе, на развитие солнечной энергетики даст реальную возможность укрепить в будущем и повысить энергетическую безопасность.

Очевидно, что по отдельности ни инициативы частного бизнеса, ни попытки вмешательства государств в эту отрасль к быстрому результату не приведут. Поэтому приходит время объединять усилия в этом направлении. Тем более, что солнечная энергетика является сегодня одним из наиболее быстрорастущих секторов энергетики. Например, Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности в Европейском Союзе прогнозирует, что к концу 2010 года суммарные объемы электроэнергии, полученной прямого преобразованием солнечного излучения, превысят показатели 2006 года практически в три раза. А при более широком временном охвате видно, что мировой рынок фотовольтаики ежегодно возрастает на 25-30% и такая тенденция по оценкам экспертов сохраниться как минимум до 2035 года.

Не думаю, что кто-то сможет назвать еще много других отраслей, которые даже в условиях кризиса показывают такую впечатляющую позитивную динамику и где уже сегодня отечественный бизнес может реально конкурировать, показывая не только хорошие финансовые результаты, но и достойное качество на самом высоком техническом уровне продукции. Благодаря кризису, вторая половина 2009 года – 2010 год стали отличным временем для выхода на рынок солнечной электроэнергетики. Инвестиции в фотовольтаику сегодня могут дать неплохой шанс застолбить свое место на одном из наиболее привлекательных перспективных высокотехнологических рынков. И шанс этот нельзя ни в коем случае упускать.

Органические солнечные батареи из графена.

Группа ученых из Калифорнийского университета рассказала журналистам, какими будут экономичные и гибкие солнечные батареи нового поколения в ближайшем будущем. После нескольких десятилетий работы над органическими фотоэлементами были изготовлены новые прототипы солнечных элементов, которые имеют легкий вес, гибкую подложку, низкую стоимость изготовления и технологическую эффективность. В настоящее время исследования проводятся именно над такими солнечными элементами.

Наиболее уникальным свойством органических фотоэлементов являются прозрачные проводящие электроды. Это позволяет свету взаимодействовать с активными веществами внутри элемента, генерируя при этом электричество. Сегодня для создания крупных сборок гибких солнечных элементов используют полимерные листы на основе графена ( Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, слой атомов углерода толщиной в один атом. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку ). Эти листы используются для преобразования энергии солнечного излучения в электричество, обеспечивая полчение дешевой солнечной энергии.

Группа исследователей под руководством Chongwu Zhou, профессора электротехники из USC Viterbi School of Engineering выдвинула теорию, что графен как атом-лист толщиной в один атом углерода без труда может быть интегрирован в очень гибкие листы полимера, из которых, после нанесения термо-пластического слоя защиты, можно формировать ячейки органических солнечных элементов. А т.к. методом химического осаждения паров, качественный графен могут теперь получать в достаточном количестве - цена таких солнечных батарей - минимальна.

Традиционные кремниевые солнечные элементы пока что более эффективны. Так, с их помощью 14 Вт электроэнергии будут генерироваться с 1000 Вт солнечного света, при этом органические солнечные батареи позволяют получить всего лишь 1,3 Вт энергии с 1000 Вт солнечного света. Но органические солнечные батареи будут компенсировать это за счет таких преимуществ как гибкость и ментшая стоимость.

По словам Gomez De Arco, может быть, в один прекрасный день можно будет запустить печатные машины для изготовления гибких органических солнечных элементов и это будет похоже на печать обыкновенных газет. Такие органические фотоэлементы могут быть как шторы висящие в домах, из них даже можно сделать ткань и носить как энергетическую одежду.

Гибкость ячеек таких солнечных элементов дает дополнительное преимущество, они будут работать и после многократных изгибов в отличие от Indium-Tin-Oxide солнечных элементов. Низкая стоимость, электропроводность, стабильность, совместимость электродов с органикой и доступность наряду с гибкостью - все это дает ячейкам из графена решительные преимущества перед другими солнечными батареями.

Способы преобразования солнечной энергии.

Очень давно ещё древние греки использовали солнечную энергию для обогрева жилища. В 19 веке впервые изобрели солнечный коллектор, с помощью которого нагревали воду.

Нынешняя энергетика на основе солнечного тепла носит название гелиоэнергетика, и начала развиваться она только в середине 20 века.