Альтернативные источники энергии. 63

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение  теплового баланса атмосферы  постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли. 

 Основные  причины, указывающие на важность  скорейшего перехода к АИЭ: 

• Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан  факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

• Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные  ресурсы;

• Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить  топливные ресурсы страны для  переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими  альтернативными источниками, уже  сегодня ниже стоимости энергии  из традиционных источников, да и сроки  окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

• Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными  ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

• Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью  топливных ресурсов на Земле, а также  экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный  переход на альтернативные источники  энергии.

Альтернативный  источник энергии — способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии  — потребность получать её из энергии  возобновляемых или практически  неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. 
 

Ветряные  электростанции —  ветроэнергетические  установки (ВЭУ)

Ветряные  электростанции —  принцип работы

Ветряные  электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс — ветра. Для ветряных электростанций с горизонтальной осью вращения минимальная скорость ветра составляет:

• 4-5 м/сек — при мощности >= 200 кВт
• 2-3 м/сек — если мощность <= 100 кВт.

Ветроэлектростанция  -  это  мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра.

Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения менее  популярны. Сам генератор находится  под мачтой, и главное, необходимость  ориентации на ветер отсутствует. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения требуют для стабильной работы более высоких скоростей  ветра и предварительного запуска  от внешнего источника энергии.

Ветряные  электростанции —  основные проблемы

Основную проблему ветряных электростанций вызывает непостоянная природа ветра. При этом мощность ветряных электростанций в каждый момент времени переменна. Невозможно иметь  от одной ветроэлектростанции стабильное поступление определенных объемов электроэнергии.

Ветряные электростанции имеют аккумуляторы для накопления электроэнергии,  для более равномерной и стабильной работы системы. По этой же причине возникает необходимость объединения ветряных электростанций в энергосистемы и комплексы с иными способами получения электроэнергии. Это, прежде всего газовые генераторы, микротурбины, солнечные электростанции — батареи на фотоэлементах.

Ветряные  электростанции —  преимущества

• Ветряные  электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами.
• Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками.
• Источник энергии ветра — природа — неисчерпаема.

Ветряные  электростанции —  недостатки

• Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Поиск технических решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток — главная задача при создании ветряных электростанций.
• Ветряные электростанции создают вредные шумы в различных звуковых спектрах. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35-45 децибел.
• Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи. Применение ветряных установок — в Европе их более 26 000, позволяет считать, что это явление не имеет определяющего значения в развитии электроэнергетики.
• Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.

Ветряные  электростанции —  производители —  мировые лидеры

• VESTAS
• NORDEX
• PANASONIC
• VERGNET
• ECOTECNIA
• SUPERWIND

Ветряные  электростанции —  география применения

Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась  до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное  строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство  ветряных электростанций обеспечило работой  в Европе 60 000 человек. За рубежом  приняты постановления на государственном  уровне, содействующие внедрению  возобновляемых источников энергии.

Ветряные  электростанции в  России

В России, за последние  десятилетие, построено и пущено в эксплуатацию лишь несколько ветряных электростанций.

В Башкортостане  установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт.

В Калининградской  области, смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет ~5 МВт.

На Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт.

В Мурманске  вошла в строй ветроустановка мощностью 200 кВт.

Но совокупная мощность ветроэлектростанций России не превысила в 2004 году 12 МВт. 

Российская Федерация  — это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических  зонах, что определяет высокий потенциал  использования ветряных электростанций. Технический потенциал составляет более 6200 миллиардов киловатт часов, или  в 6 раз превышает всё современное  производство электроэнергии в нашей  стране. 

http://www.manbw.ru/analitycs/wind-stations.html 
 
 

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции или  что такое геотермальная  энергия? 

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь  этого тепла можно с помощью  скважин. Геотермический градиент в  скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей  воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для  обогрева домов и зданий, так и  для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным  подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Геотермальные электростанции и  геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых  местах геотермальная температура  поднимается быстрее. Такие места  обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические  плиты. Именно поэтому наиболее перспективные  геотермальные ресурсы находятся  в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может  быть настолько высок, что поверхностные  воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры  и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает  там, прежде всего, за счет распада природных  радиоактивных элементов, таких  как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших  подземных температур находятся  в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся  на границах тектонических плит или  в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество  горячих точек находится в  зоне Тихоокеанского кольца, которое  еще называют «огненное кольцо»  из-за большого количества вулканов.

Геотермальные электростанции -  способы использования геотермальной энергии

Существует два  основных способа использования  геотермальной энергии: прямое использование  тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла  широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная  энергия используется на больших  электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в  Сальвадоре геотермальная энергия  производит около 1/3 электроэнергии. В  Айдахо и Исландии геотермальное  тепло используется в различных  сферах, в том числе и для  обогрева жилья. В тысячах домах  геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого  и недорогого тепла.

Геотермальные электростанции -  источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются  существующие в породе изломы, и  создается подземный резервуар  пара или горячей воды.

Магма – расплавленная  масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся  под давлением, подземные воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ. 

Геотермальные электростанции - принципы работы

В настоящее  время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных  ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема  производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном  пару. Пар поступает непосредственно  в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование  пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке  и хранении топлива). Это старейшие  геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена  в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах  используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с  бинарным циклом производства электроэнергии.

Большинство геотермальных  районов содержат воду умеренных  температур (ниже 200 0С). На электростанциях  с бинарным циклом производства эта  вода используется для получения  энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Будущее геотермального электричества.

Резервуары с  паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных  ресурсов. Земная магма и сухая  твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны  соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными  производителями геотермальной  электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное  электричество стало ключевым элементом  энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости  его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями  геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие  появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт. 

http://www.manbw.ru/analitycs/geothermal_power_stations_plant.html 
 

Солнце – это основной источник энергии на земле и первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т.д. Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5 *10 18 кал./мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы. Солнце - самая близкая к нам звезда представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объём больше объёма Земли примерно в 1 млн. 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты.

Поскольку солнце не твёрдый, а газовый шар, говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска. Внутренняя часть солнца не доступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котёл гигантских размеров, где под давлением около 100 миллиардов атмосфер происходят сложные ядерные  реакции, во время которых водород  превращается в гелий. Они-то и являются источником энергии солнца. Температура внутри солнца оценивается в 16 миллионов градусов. О том, что это за температура, английский учёный Д.Джинс в книге «Вселенная вокруг нас» говорит следующие: «… булавочная головка вещества, нагретого до температуры, которое царит в центре солнца, излучала бы столько тепла, что человек, находящийся на расстоянии в 150 км от неё сгорел бы мгновенно». Газ, который бушует в недрах Солнца, не только необычайно горяч, но и очень тяжёл. Его плотность в 11,4 раза превышает плотность Солнца. В этом атомном котле возникают невидимые рентгеновские лучи. Прежде чем достигнуть поверхности Солнца, они проходят очень извилистый путь, преодоление которого занимает около 20 тыс. лет. Чем ближе они приближаются к поверхности Солнца, тем всё больше увеличиваются длины волн, а частота колебаний уменьшается, пока они не превращаются в ультрафиолетовый и видимый свет.

По мере изменения  характера лучистой энергии меняется и температура Солнца. На расстоянии ? радиуса от центра она снижается примерно до 150 тыс. градусов. Наблюдать с Земли можно только внешнюю оболочку Солнца (фотосферу). Она-то и излучает солнечную радиацию. Толщина фотосферы всего около 300 км, а температура её поверхности 5700 градусов. Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера. Солнечную атмосферу учёные разделяют на две части. Нижний её слой, где вспыхивают языки пламени солнечного газа, называется хромосферой, а верхний – практически безграничный слой – солнечной короной. Температура её газов достигает миллионов градусов, то есть в тысячи раз выше, чем температура фотосферы. Столь огромное повышение (а не понижение) температуры солнечных газов по мере удаления от солнца учёные объясняют возникновением ударных волн, рождающихся чудовищной силой шумом, который происходит на поверхности светила. Современные исследования космических станций показывают, что газы солнечной короны заполняют всё межпланетное пространство солнечной системы. Газовые частицы, непрерывно излучаемые солнечной короной (корпускулы), образуют в межпланетном пространстве своеобразный «солнечный ветер». О некоторых свойствах этого ветра можно узнать, наблюдая поведение комет или магнитное возмущения в верхних слоях атмосферы, расположенных в близи магнитных полюсов Земли.

Скорость газовых  частиц, образующих «солнечный ветер» 300 – 500, а по некоторым данным даже 800 км в секунду. Благодаря этому  «ветру» Солнце непрерывно теряет не только энергию, но и массу. Он ежегодно уносит от Солнца около 1,4 *10 13 тонн вещества. Но, хотя эта цифра и астрономическая, потери солнечной материи, по сравнению  с общей массой Солнца, так малы, что могут привести к уменьшению её на 1% лишь через 100 миллиардов лет. Земля, как, впрочем, и все планеты солнечной  системы окружена не безвоздушным холодным пространством, а раскалённым корональным  газом, температура которого достигает  десятков тысяч градусов. Верхний  разряжённый слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с  этим потоком летящих от солнца горячих  газов. Поэтому и температура  частиц воздуха здесь достигает  сотен градусов ниже нуля.

Помимо газовых  частиц (корпускул), которые, как я  сказал, летят от Солнца со скоростью 300 – 500 и более км/сек. и достигают  поверхности Земли примерно через 8 – 10 минут, Солнце излучает энергию  в виде электромагнитных волн различной длины и частоты, начиная от нескольких Ангстрем (1 микрон = 10000 Ангстрем) и заканчивая очень длинными радиоволнами. Основная часть приходящей на Землю солнечной радиации лежит в пределах 0,17 – 24 микрона, причём 99% этой радиации приходится на участок спектра от 0,17 до 4 микрон. Радиация Солнца с длинами волн меньше 0,17 микрон поглощается верхними слоями атмосферы, и измерить её можно только поднявшись на большие высоты. Эта коротковолновая ультрафиолетовая радиация Солнца является очень опасной для жизни живых организмов. Если бы атмосфера не предохраняла нас от неё, то жизнь на Земле была бы невозможной.

Солнечная радиация с длинами волн больше 24 микрон составляет ничтожно малую величину и в практических расчётах не учитывается. Весь остальной  спектр радиации Солнца (от 0,17 до 4 микрон) обычно делят на три части. Первая часть – ультрафиолетовая радиация (от 0,17 до 0,35 микрона). За сильное воздействие  на живые организмы её иногда называют химической радиацией. Именно она вызывает изменения в составе кожного  пигмента и образует солнечный загар, а при длительном воздействии  – эритему или ожог. При длительном облучении она губительно действует  на многие микроорганизмы. Однако, несмотря на значимость этой радиации в жизни  растений и животных, её доля в энергетическом балансе Земли не превышает 7 процентов. Вторую часть солнечного спектра (от 0,35 до 0,75 микрона) составляет световая радиация, то есть то, что мы называем солнечным светом. На долю этой радиации в энергетическом балансе приходится уже 46 процентов. И, наконец, третью часть  солнечного спектра (от 0,76 до 4 микрон и  далее) образует так называемая инфракрасная, уже невидимая для глаза, радиация (47 процентов).

Если смотреть на Солнце через тёмное стекло, туман  или дымку (особенно, когда оно  находится близко к горизонту), то можно увидеть огромное тёмное пятно. В действительности оказывается, что  это пятно, являющееся основанием фотосферы, отнюдь не сплошное и по внешнему виду напоминает вымощенную булыжником мостовую. Наблюдения показывают, что поверхность  Солнца никогда не бывает спокойна. Углубления на этой «мостовой» иногда сливаются между собой, образуя большие тёмные пятна, свидетельствующие о сильных вертикальных движениях солнечных газов; во время солнечной активности таких пятен одновременно может насчитываться несколько, в спокойные же периоды поверхность Солнца месяцами может оставаться чистой. Изучая частоту и интенсивность полярных сияний, которые увеличиваются и усиливаются в период солнечной активности, учёные установили, что солнечная активность имеет свою периодичность 2, 6, 11, 26, и около 100 лет. Особенно хорошо прослеживается 11-летний цикл.

В те годы, когда  максимумы или гребни этих волн накладываются  друг на друга, усиление солнечной активности происходит наиболее резко. Такая ситуация произошла в 1957 году, который учёные выбрали в качестве Международного геофизического года для организации  своих наблюдений одновременно на всём земном шаре. В этот год число  пятен (оно измеряется в условных единицах, называемых числами Вольфа) достигло рекордного за последние 250 лет  значения. Активность Солнца влияет на процессы, происходящие как на Земле, так и в атмосфере. С её усилением в атмосфере происходят магнитные возмущения, магнитные бури, ухудшается или даже прекращается прохождение радиоволн. Установлено большое влияние солнечной активности на погоду и даже на климат, а также на геофизические процессы, происходящие в твёрдой оболочке Земли. Дело в том, что так называемая плоскость эклиптики, в которой происходит вращение Земли вокруг Солнца, наклонена к солнечному экватору всего на 7 0 . Это означает, что к Земле поступает лучистая энергия и корпускулярное излучение только из узкой экваториальной области Солнца.

Вместе с тем  астрономами установлено, что в  период усиления солнечной активности образовавшиеся на Солнце пятна постепенно сползают от солнечных полюсов в зону солнечного экватора. Это приводит к тому, что в эти периоды к Земле приходит значительно больше ультрафиолетовых лучей и радиации сверхкоротких длин волн. Их влияние сказывается главным образом, на высоких слоях атмосферы и мало отражается на интенсивности прямой радиации, приходящей к земной поверхности. В высоких слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы кислорода О2 расщепляются пополам, или, как говорят, диссоциируются. Образовавшиеся в результате диссоциации свободные атомы кислорода очень неустойчивы, они быстро присоединяются к какой-либо другой молекуле кислорода, образуя новый газ, называемый озоном (О3).