Основные источники альтернативной энергии

Содержание

Введение

Одной из фундаментальных проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. В настоящее время основными источниками энергии являются уголь, нефть и газ.  Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. При современном уровне добычи разведанных запасов угля хватит на 250 лет, нефти на 40 лет и газа на 60 лет. Мировая энергетическая система стоит перед лицом гигантских проблем. Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии.  К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле. В данной работе я подробно рассмотрела следующие  отрасли энергетики:  ветроэнергетику, гидроэнергетику, солнечную энергетику, их достоинства и недостатки, а также  развитие данных отраслей в Республики Беларусь и других зарубежных странах.

гидроэнергетика

1. Общая характеристика гидроэнергетики

Гидроэнергия использовалась людьми еще с древних времен, когда с помощью водяных мельниц перемалывали муку и выполняли другие задачи. Однако всему со временем находится новое применение. Так случилось и с гидроэнергетикой. В 1881 году в США около Ниагарских водопадов начала производить электроэнергию первая гидроэлектростанция. К 1886 году в США и Канаде было уже около 45 ГЭС, а к 1889 году – 200 в одних только США.

На протяжении двадцатого века ГЭС становились все больше и мощнее. А т.к. они стали отрицательно влиять на окружающую среду, то потребовалось регулировать их постройку на законодательном уровне, чтобы избежать нежелательных последствий в виде засухи отдельных регионов, выбросов в атмосферу метана, не говоря уже о возможных прорывах дамб.

В наши дни гидроэнергетика предоставляет до 85% электроэнергии в таких странах, как Норвегия, Демократическая Республика Конго, Парагвай и Бразилия. В США более 2000 ГЭС поставляют 49% от общего количества возобновляемой энергии. 

Основные направления развития альтернативной гидроэнергетики связаны с использованием механической энергии приливов, волн, течений и тепловой энергии океана. [1]

Только один приливно-отливный цикл мирового океана энергетически эквивалентен 8 трлн кВт-ч. По экспертным оценкам, технически возможно использование примерно 2 % этого потенциала.

Максимальные амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного климатического пояса. Наибольшими запасами приливной энергии обладают Атлантический океан и в меньшей мере Тихий океан. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на возможность использования энергии приливов, являются особенности береговой линии и прибрежного и придонного рельефа. В длинных узких заливах с пологим дном приливы имеют максимальную высоту, иногда превышающую 10 м, что существенно повышает эффективность энергетического использования приливно — отливного цикла. [2]

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединенные Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится всего около 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35% полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) вносят лишь 5 и 18% соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии. Из остальных континентов Европа (21% ресурсов) дает 31% выработки, а Южная Америка и Австралия, вместе взятые, располагая примерно 15% ресурсов, дают только 11% производимой в мире гидроэлектроэнергии.

Вода, вращающая гидравлические турбины, обычно берется из искусственных водохранилищ, созданных путем перекрытия реки плотиной. Плотина повышает напор воды, поступающей на турбины, и тем самым увеличивает мощность электростанции. Расход воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Водохранилище, кроме того, служит отстойником для песка, ила и мусора, приносимых естественными водотоками. Построив плотину с водохранилищем, можно предотвратить паводковые затопления, а также создать надежный запас воды для водоснабжения населения и промышленности.

Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующие разным скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют только два лопастных венца. (Паровые и газовые турбины – со многими венцами лопаток.) К лопастям первого венца относятся профилированные колонны статора и лопатки направляющего аппарата, причем последние обычно позволяют регулировать расход воды через турбину. Второй венец образуют лопасти рабочего колеса турбины. Два последовательных лопастных венца (статора и колеса) составляют ступень турбины. Таким образом, в гидротурбинах имеется только одна ступень.

        Ось вращения  турбины, рассчитанной на большой расход и малый напор, обычно располагают горизонтально. Такие турбины называют осевыми или пропеллерными. В гидроагрегатах приливной ГЭС, построенной в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада), ротор генератора закреплен на периферии рабочего колеса, охватывая его. Такая конструкция генератора требует меньше железа и меди. Но чаще турбину располагают вертикально и выводят ее вал из пологого S-образного водяного канала через уплотнение к внешнему гидрогенератору. [4]

       Самая крупная белорусская ГЭС находится в Осиповичском районе и имеет установленную мощность 2,175 МВт. Согласно Национальной программы строительства ГЭС в РБ на 2011-2015 гг. планируется строительство и реконструкция 33 гидроэлектростанций. Основной упор делается на малые, микро и мини-ГЭС. Так, планируется строительство 20 микро-ГЭС установленной мощностью до 100 кВт, 9 мини-ГЭС (от 100 кВт до 10 МВт) и 4 крупных ГЭС (выше 10 МВт).

Запланированное строительство крупных ГЭС:

• Немновская, 20 МВт;
• Витебская, 40 МВт;
• Гродненская, 17 МВт;
• Полоцкая, 22МВт.

Т.о. к 2016 году запланировано и экономически обосновано выработка 510 млн. кВтч электрической энергии посредством ГЭС.

     Согласно мировым  прогнозам количество гидроэлектростанций в мире будет увеличиваться. На сегодняшний день их уже насчитывается более 7000 тыс. Особое место гидроэнергетика занимает в Норвегии, Новой Зеландии, Канаде, США, Китае, Австрии и других странах. По количеству гидроэлектростанций лидирующее место занимает Норвегия, где 99% производства электрической энергии приходится на ГЭС. В последнее время наблюдается повышение интереса к строительству малых ГЭС, количество подобных электростанций будет увеличиваться. [3]

      Основной гидроэнергетический потенциал РБ сосредоточен на трех реках: Западной Двине, Немане и Днепре. На Западной Двине намечено сооружение каскада из четырех ГЭС: Верхнедвинской, Полоцкой, Бешенковичской и Витебской.

      На реке Неман  намечено сооружение каскада из двух ГЭС: Гродненской и Немновской. На реке Днепр  намечено сооружение каскада из трех ГЭС: Оршанской, Шкловской и Могилевской.

     Но это только начало использования ветроэнергопотенциала Беларуси. В стране имеется как минимум 50-70 площадок, подходящих для сооружения ветроэлектроустановок (ВЭУ) или даже ветроэлектростанций (ВЭС). Это природные возвышенности с фоновыми скоростями ветра на высоте 10 м  от 5,9 до 6,2 м/сек, что соответствует скоростям ветра на высоте ступицы рабочих колес ВЭУ 50 - 90 м соответственно 7,5 – 8,5 м/сек. Т.е. скоростям, при которых применение ВЭУ технически возможно и оправдано. Следовательно, скромно, но смело можно говорить о ближайшем реальном потенциале в 500-700 МВт установленной мощности при числе часов использования этой мощности от 2000 до 3000 час. [3]

2. Плюсы и минусы гидроэнергетики

Достоинства гидроэнергетики:

• использование возобновляемой энергии.
• очень дешевая электроэнергия.
• работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
• быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

 Однако стоит учитывать и возможное негативное влияние гидроэлектростанций:

• подтопление близлежащих земель;
• изменение температурного режима рек;
• изменение растительного покрова и влияние на жизнедеятельность некоторых видов животных, рыб, птиц. [1]

Ветроэнергетика

3. Общая характеристика ветроэнергетики

Ветроэнергетика, как один из видов возобновляемых источников энергии, активно развивается в западных странах и вызывает не только неподдельный интерес, но и различного вида споры об ее достоинствах и недостатках, перспективах развития и целесообразности применения. [3]

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.

В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.

Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.[1]

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, т.е. с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов - механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км. от берега (а иногда и дальше) строятся офшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.

В 2006 году сумарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 73 904 МВт. Бо́льшая часть установленных мощностей (69 % на 2005 год) сконцентрирована в Европе. В Германии, к примеру, 20 622 МВт. Страны Евросоюза в 2005 году вырабатывают из энергии ветра около 3 % потребляемой электроэнергии. В 2006 году ветряные электростанции Германии произвели 30,6 млрд кВт•ч. электроэнергии, что составляет 7 % от всей произведённой в Германии электроэнергии. Около 20 % электроэнергии в Дании вырабатывается из ветра. Индия в 2005 году получает из энергии ветра около 3 % всей электроэнергии. [6]

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличаяется большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности энергонагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует ее дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать. Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25% от общей установленной мощности системы. [5]

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году — 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч. [1]

4. Плюсы и минусы ветроэнергетики

Плюсы:

• один из самых главных плюсов использования энергии ветра – это то, что отсутствует влияния на тепловой баланс атмосферы Земли
• ветровые энергетические установки не потребляют кислорода
• они не выбрасывают углекислый газ и другие загрязнители
• возможность преобразования кинетической энергии воздушных масс в различные виды энергии.

Минусы:

• работа ветровых энергетических установок плохо влияет на работу телевизионной сети
• такие установки являются источниками интенсивного инфразвукового шума, что нехорошо влияет на человека и его организм. Этот шум также не выдерживают птицы и животные. Соответственно, район, где располагается ветровая энергетическая станция и примыкающие к ней территории становится непригодным для жизни людей, птиц и животных.
• изменчивость скорости ветра
• необходимость большой территории для размещения ветровой установки. [5]

Солнечная энергетика

5. Общая характеристика солнечной энергетики

Солнечное тепло человек начал использовать еще с древнейших времен. Уже в Древнем Риме и Древней Греции дома строили так, чтобы зимой поступало больше солнечных лучей, а летом — меньше. Благодаря солнцу летом наши жилища не нуждаются в дополнительном обогреве, зимой же мы используем солнечную энергию в аккумулированном виде: газ, древесину и уголь человек применяет для отопления зданий и подогрева воды.

Самый эффективный из существующих сегодня способов использования солнечного излучения — это поглощение его солнечными коллекторами. Применение коллекторов уже не является отдаленным будущим, данная система стала частью настоящего. Нужно понимать, что с каждым годом цена на различные источники электроэнергии и топливо будут неизменно расти, а благодаря системе солнечных коллекторов можно сделать долгосрочные инвестиции на будущее.

Использованием солнечной энергии интересуются заказчики как реконструируемых зданий, так и заново возводимых объектов. Такая популярность легко объяснима, ведь солнце в любое время года обеспечивает наши жилища во всех уголках планеты энергией, которая пригодна для эффективного использования. Таким образом можно снизить потребление ограниченных ресурсов полезных ископаемых и заметно уменьшить выброс вредоносных веществ в атмосферу. [7]

Солнечная энергия может быть сгенерирована на тепловой солнечной станции (гелиостате), окруженной группой зеркал, выполняющих функцию приемников и аккумулирующих солнечную энергию на гелиостат. Благодаря этому на гелиостате температура поднимается до 1200 °С и под воздействием замкнутого охлажденного контура происходит выработка электрической энергии. Энергия солнца может быть также сгенерирована на фотоэлектрических станциях, в которых энергия падающих лучей через солнечные элементы преобразуются в электроэнергию.

Существует 2 вида гелиоэнергетики: биологическая и физическая.

1. Биологическая  гелиоэнергетика использует солнечную  энергию, которая накапливается в растениях в процессе фотосинтеза. Чаще всего речь идет о сжигании древесины. Некоторые страны, в частности Англия, планируют засаживать быстрорастущими деревьями непригодные для ведения сельского хозяйства земли, чтобы впоследствии получить энергию от сжигания древесины. В Бразилии в качестве топлива используют этиловый спирт, который вырабатывается из отходов сахарного тростника. В США существуют электростанции, которые вырабатывают энергию путем сжигания отходов кукурузы. Существует еще масса методов получения солнечной энергии из растений.

2. Физическая  гелиоэнергетика предполагает преобразование солнечного излучения в другие виды энергии при помощи солнечных коллекторов, полупроводников или системы зеркал.

Солнечные коллекторы существуют в таких государствах, как Япония, Турция, Израиль, Греция, Египет. Там их используют как для нагрева воды, так и для отопления помещений. В России довольно широко распространены сушилки на солнечной энергии, использующиеся в сельском хозяйстве. Они позволяют на 40 % сократить расход энергии. Постепенно распространяются и установки, которые позволяют использовать солнечную энергию для отопления и нагрева воды. [8]

Что касается использования солнечной энергетики в нашей стране, то если основываться на метеорологических данных, то в Беларуси порядка 30-ти  ясных солнечных дней в году, в то время как пасмурных -250. Интенсивность солнечного излучения составляет что-то порядка 2,8 кВт·ч/м².  Не густо, конечно, но и не надо полагать, что в развитых странах намного лучше обстоят дела. Картина примерно такая же  в Германии, Японии и некоторых других странах.  Это дает право сторонникам альтернативной энергии утверждать о возможности и необходимости развивать солнечную энергетику в Беларуси. Раз это могут делать страны Европы, то почему не можем мы?  Надо сказать, что государство значительно продвинулось в этом направлении за последние годы, а вместе с этим уже стали появляться первые трудности. Что же касается солнечной энергетики, то согласно закона о возобновляемых источниках энергии РБ на покупку электрической энергии, выработанной фотоэлектростанциями, действует самый высокий коэффициент равный 3. Т.е. энергосистема обязана покупать у владельцев солнечных электростанций всю выработанную электроэнергию с  данным повышающим коэффициентом в течение 10 лет. Согласно таблицам солнечной инсоляции строительство солнечных электростанции целесообразно преимущественно на юге страны, что, в общем-то, естественно. С уже  действующими объектами можно ознакомиться на сайте Министерства природных ресурсов (ссылка ниже). Как было сказано главным инженером ГПО “Белэнерго”,  А.А. Сиваком корреспондентам “CБ” уже принято решение о строительстве солнечных станций мощностью порядка 150 МВт в Гомельской и Могилевской областях. Однако увеличение числа альтернативных электростанций может негативно отразиться на конечном потребителе в виде увеличения тарифа. [3]

6. Плюсы и минусы солнечной энергетики

Плюсы:

• «Сырье» (солнечный свет) является неисчерпаемым.
• Данное сырье абсолютно бесплатно. Солнечная энергия является общедоступной, так как Солнце светит на севере и на юге, на западе и на востоке.
• Кроме того, явным преимуществом является безопасность и бесшумность производства солнечной энергии. 

Минусы:

• Зависимость от состояния атмосферы
• Дороговизна строительства и ввод в эксплуатацию.
• Необходимость постоянного ухода за установками
• Атмосферные слои над территорией производства Солнечных Электростанций нагреваются до крайне высоких температур.[7]

Заключение

Как видим, альтернатива традиционным источникам энергии – существует.

Во  всем  мире  усиленно  работают  над  практическим  применением  нетрадиционных  возобновляемых  источников  энергии.  Установки,  работающие  на  возобновляемых  источниках,  оказывают  гораздо  меньшее воздействие  на  окружающую  среду,  чем  традиционные  потоки  энергии. Экологическое  воздействие  энергоустановок  на  возобновляемых источниках в основном заключается в нарушении естественного ландшафта.

В  настоящее  время  возобновляемые  энергоресурсы  используются  незначительно .Однако, учитывая истощенность энергетических ресурсов, роль использования возобновляемых источников  энергии  во  многих  странах  с  каждым  годом  возрастает.  Их применение  крайне  заманчиво,  многообещающе,  но  требует  больших  расходов  на  развитие соответствующих  техники  и  технологий.

Список использованной литературы

1. http://ru.wikipedia.org/

2. http://energycraft.ru

3.http://www.energya.by/

4.Гидроэнергетика. Золотарев Т.Л. 1950 г.

5.Неисчерпаемая  энергия. Книга 2 Ветроэнергетика», В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев

6.http://energobelarus.by/articles/alternativnaya_energetika

7.http://re.energybel.by/solar-energy/

8.Виссарионов  В.И., Дерюгина Г.В. Солнечная энергетика. Москва, Издательский дом МЭИ, 2008

Оглавление