Энергия Солнца, ветра и воды

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление

1.Энергетические русурсы Океана

1.1 Термальная энергия

1.2 Энергия приливов

1.3 Энергия волн

1.4 Энергия течений

1.5 «Соленая» энергия

2. Энергия ветра

3. Энергия солнца

Заключение

Вступление

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хо­зяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущой.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектро­станции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственны­ми топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используютя практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энер­гетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных элек­тростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда - дорого­стоящее и труднодобываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строи­тельство и эксплуатация АЭС сопряжена с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы за­грязнения окружающей среды.

С середины 20 века началось изучение энергетических ресурсов океана, энергии ветра, солнечной энергии, от­носящихся к "возобновляемым источниксам энергии".

Океан - гигантский аккумулятор ирансформатор солнечной энергии, преобра­зуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов - результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.

Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возоб­новляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики, а также солнечных и ветровых систем показывает, что они не приносят какого-либо ощути­мого ущерба окружающей среде. При проектировании будущих систем энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.

1.Термальная энергия

Идея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропи­ческими водами океана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электростанций (OТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные сооружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системах или в свс 5одном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом в паровой машине Котел, заполненный фрео­ном или аммиаком - жидкостями с низкими температурами кипения, омывается те­плыми поверхностными водами. Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанный пар охлаждается водой из нижележащих холод­ных слоев и, конденсируясь в жидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемых ОТЭС состав. яет 250 -400 МВт.

Учеными Тихоокеанского океаноло 'ического института АН СССР было пред­ложено и реализуется оригинальная иде: получения электроэнергии на основе раз-

ности температур подледной воды и воз, ~уха, которая составляет в арктических рай­онах 26 °С и более.

По сравнению с традиционными те: ловыми и атомными электростанциями ОТЭС оцениваются специалистами как олее экономически эффективные и практи­чески не загрязняющие океанскую среду , Недавнее открытие гидротермальных ис­точников на дне Тихого океана рождают привлекательную идею создания подвод­ных ОТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привлекательными для размещения ОТЭС являются тропические и арк­тические широты (см. рис.2 и рис.3).

1.2 Эпергия приливов

Использование энергии приливов началась уже в 20 в. для работы мельниц и лесо­пилок на берегах Белого и северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию при­ливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира.

Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опус­кается. Это гравитационные силы Луны и солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в на­шей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к состав­лению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугур­ской на Охотском море.

Использование великих сил приливы и отливов Мирового океана, даже самих океанских волн - интересная проблема. К решению ее еще только приступают. Тут многое предстоит изучать, изобретать, конструировать.

1.3 Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э.Циолковским.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде понлавков, маятников, лопастей, оболочек и тл. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преоб­разуется в электрическую.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энерго­питания автономных буев, маяков, научыхых приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использова­ние волновой энергии. В мире уже окало 400 маяков и навигационньlх 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.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором аква­тории океана с устойчивым запасом волловой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима вол­нения. Считается, что эффективно волнсвые 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.

1.4 Энергия течечений

Наиболее мощные течения океана - потенциальный источник энер­гии. Современный уровень теххники позволяет извлекать энергию тече­ний при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 кв.м поперечного се­чения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использова­ние таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущик соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2. м/с, и Флоридского течения.

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибрал­тарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с соз­данием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судо­ходству.

1.5 "Соленая" энергия

Соленая вода океанов и морей таит в себе огромные неосвоенные запасы энергии, которая может быть эффективно преобразована в другие формы энергии в районах с большими градиентами солености, какими являются устья крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Парана, Конго и др. Осмотическое давление, возни­кающее при смешении пресных речных вод с солеными, пропорционально разности в концентрациях солей в этих водак В среднем это давление составляет 24 атм., а при впадении реки Иордан в Мертвое мсре 500 атм. В качестве источника осмоти­ческой энергии предполагается также использовать соляные купола, заключенные в толще океанского дна. Расчеты показали, что при использовании энергии, получен­ной при растворении соли среднего по запасам нефти соляного купола, можно по­лучить не меньше энергии, чем при использовании содержащейся в нем нефти.

Работы по преобразованию "соленой" энергии в электрическую находятся на стадии проектов и опытных установок.

2. Энергия ветра.

Использование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразо­вания энергии ветра в электрическую возникла в конце 19в.

В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт была построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Средне-

годовая выработка станции составляла 270 МВт.час. В 1942 г. станция была разру­шена.

В период энергетического кризиса 70-х гг. интерес к использованию энергии возрос. Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана. Океанские ВЭС способны вырабатывать энергии больше, чем расположен­ные на суше, поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные.

Строительство ВЭС малой мощности для энергоснабжения приморских поселков, маяков, опреснителей морской воды счи­тается выгодным при среднегодовой скорости ветра 3,5-4 м/с.. Возведение ВЭС большой мощности для передачи электро­энергии в энергосистему страны оправдано там, где среднегодовая скорость ветра превышает 5,5-б м/с.. Так, в Дании - одной из ведущих стран мира в области ветроэнергетики действует уже около 2500 ветровых установок общей мощностью 200 МВт.

На тихоокеанском побережье США в Калифорнии, где скорость ветра 13 м/с и больше наблюдается в продолжение более 5 тыс, ч в году, работает уже несколько тысяч ветровых установок большой мошности. ВЭС различной мощности действу­ют в Норвегии, Нидерландах, Швеции, Hталии, Китае, России и других странах.

В связи с непостоянством ветра по скорости и направлению большое внимание уделяется созданию ветроустановок, работающих с другими источниками энергии. Энергию крупных океанских ВЭС предполагается использовать при производстве водорода из океанской воды или при добыче полезных ископаемых со дна океана.

Еще в конце 19 в. ветряной электкродвигатель использовался Ф.Нансеном на судне "Фрам" для обеспечения участников полярной экспедиции светом и теплом во время дрейфа во льдах.

В Дании на полуострове Ютландия в бухте Эбельтофт с 1985 г. действуют ше­стнадцать ВЭС мощностью 55 кВт каждая и одна ВЭС мощностью 100 кВт. Еже­годно они вырабатывают 2800-3000 МВт.ч.

Существует проект прибрежной электростанции, использующей энергию ветра и прибоя одновременно. Главная проблема ветряных электростанций – непостоянство скорости ветра. Место расположения считается удачным, если удается работать в среднем около трети года. Таких мест на Земле не так много, и большинство уже занято. Кроме того, скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому использование более высоких конструкций перспективно.

3. Энергия солнца.

Самая первая шкура, которую древний человек высушил с помощью прямого использования солнечной энергии, к сожалению, не сохранилась. А собственные шкуры грели на солнышке даже наши предки обезьяны, не говоря уже о крокодилах.

Легко использовать солнце для отопления и горячего водоснабжения. Впрочем, популярная в России «солнечная установка» - бочка с водой на садовых участках – малоэффективна. Хорошие нагреватели состоят из смотрящего на юг плоского наклонного коллектора солнечных лучей и размещенного над ним бака с водой. Коллектор и бак теплоизолируют. КПД этого простого сооружения достигает 40 – 50%, и оно способно летом нагреть воду до 50 – 70 градусов.

В последнее время стали популярны воздушные коллекторы, встроенные в фасады зданий как элемент архитектуры. Оптимальный наклон коллектора примерно равен широте местности. В Европе, к примеру, на вертикальную стенку в год падает солнечной энергии примерно на 30% меньше, чем на поверхность, расположенную под углом в 45 градусов к горизонту. Такой коллектор выполняет двойную роль – нагревает теплоноситель и уменьшает тепловые потери здания.

Когда кремниевые фотоэлементы были очень дороги и использовались только в космосе, много надежд возлагалось солнечные тепловые электростанции.

Сегодня больше внимания уделяется прямому преобразованию солнечной энергии с помощью полупроводниковых фотоэлементов. В основном это плоские кремниевые фотоэлементы, способные преобразовывать как прямой, так рассеянный свет. Их стоимость за последние десять лет снизилась в несколько раз, но цена такой энергии все еще слишком высока.

Ученые пытаются максимально снизить стоимость более простых солнечных элементов. В европейском проекте H – AlphaSolarсозданы гибкие солнечные элементы на основе тонкой пленки аморфного кремния на пластине, эффективность которых около семи процентов. В планах – повышение эффективности до 10% и массовое производство рулонов дешевой «солнечной пленки».

«Человеку на острове», чтобы кипятить свой чайник, потребуется порядка ста квадратных метров кремниевых солнечных батарей и очень большой аккумулятор. Это, конечно, лучше, чем гектар водохранилища, но неприемлемо дорого.

Заключение .

Предлагаются совсем экзотические проекты. В одном из них рассматривается, например, возможность установки электростанции прямо на айсберге. Холод, необходимый для работы станции, можно получать ото льда, а полученная энергия используется для передвижения гигантской глыбы замороженной пресной воды в те места земного шара, где ее очень мало, например в страны Ближнего Востока. Другие ученые предлагают использовать полученную энергию для организации морских ферм, производящих продукты питания.

Литература

1. Видяпин В.И., Журавлева Г.П. Физика. Общая теория.//М: 2005.

2. Жуков Г.Ф. Общая теория энергии.//М: 1995.

3. Илларионов А . Природа российской энергетики. //Вопросы экономики:2003, № 3.

4. 8. Медведев А.В. Пути финансовой стабилизации. //Деньги и кредит:1996, N 7, С.50.

5. 9. Никитин С. Инфляция и возможности ее преодоления.//Экономист: 1995, №8.