Реферат: Альтернативные источники электроэнергии
Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.
Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.
Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.
Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.
Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.
Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.
Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.
Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.
Геотермальные электростанции
Около 4% всех запасом воды на нашей планете сосредоточено под землей – в толщах горных пород. Воды, температура которых превышает 20º С, называют термальными (от греч. «терме» - «тепло», «жар»). Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах вулканической деятельности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250 ºС; вода в них находится под большим давлением и, поэтому не кипит. В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 ºС.
Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности, сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (в Калифорнии, в Долине Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии (в районе Уайракеи), Мексике и Японии.
Геотермальные станции устроены относительно просто: здесь нет котельной, оборудования для подачи топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных тепловых электростанций. Постольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.
Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешенная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшейся в результате конденсации, удаляют не растворившееся в ней газы.
Именно по смешанной схеме работает Паужетская электростанция. Пароводяная смесь, содержащая тепло в количестве 840 кДж/кг, выводится через буровую скважину глубиной 350 м на поверхность и направляется в сепарационное устройство. Здесь пар при давлении 225 кПа ( свыше 2 атм) отделяется от воды и по трубам поступают в турбины; те вращаются и приводят в действие электрогенераторы.
Отработавший в турбинах пар попадает в смешивающий конденсатор, где охлаждается и превращается в воду. Выделившиеся при этом газы (азот и кислород) удаляют насосом. Горячую воду (120 ºС) используют для теплоснабжения населенных пунктов. Вода для охлаждения пара подается самотеком по трубопроводу длиной 600 м из реки Паужетки.
В России, Болгарии, Венгрии, Грузии, Исландии, США, Японии и других странах термальными водами обогревают здания, теплицы, парники, плавательные бассейны. А столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Солнечная энергия
Солнце изливает на Землю океан энергии. Человек буквально купается в этом океане, энергия везде. А человек, словно не замечая этого, вгрызается в землю за углем и нефтью, чтобы добыть энергию для заводов и фабрик, для освещения и отопления. И ведь добывает-то он всю ту же энергию Солнца, которую «впитали» растения былых времен, ставшие потом углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько угодно. Она экологична – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.
На острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана Этна еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанции мощностью 1 МВт. Принцип ее работы – башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Та м вырабатывается пар с температурой более 500º С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.
Несколько иного типа электростанция в Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах на быстрых нейтронах), а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает на только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках подобного типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.
Такой принцип работы заложен еще в одном варианте солнечной электростанции, разработанном в Германии. Ее мощность тоже невелика – 20 МВт. Подвижные зеркала по 40 м2 каждое, управляемые микропроцессором, располагаются вокруг 200-метровой башни. Они фокусируют солнечный свет на нагреватель, где помещается сжатый воздух. Он нагревается до 800ºC и приводит в действие две газовые турбины. Затем теплом этого же отработавшего воздуха нагревается вода, и в действие вступает уже паровая турбина. Получаются как бы две ступени выработки электричества. В результате КПД станции поднят до 18%, что существенно больше, чем у других гелиоустановок.
А в бывшем СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5МВт. Вокруг башни концентрическими зеркалами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 м2 каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотностью потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250ºС, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще 3-4 часа после захода Солнца, а на половинной мощности – около полусуток.
Солнечная энергия используется также в небольших автомобилях на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках.
Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам получения гелиоэнергии. Но может создаться такое положение в мире, когда относительная дороговизна солнечной энергии будет не самым большим ее недостатком. Речь идет о «тепловом загрязнении» планеты вследствие гигантского масштаба потреблении энергии. Необратимые последствия, утверждают ученые, наступят, если потребление энергии превысит сегодняшний уровень в сто раз. Упускать этого из виду никак нельзя. Вывод же ученых таков: на определенном этапе развития цивилизации крупномасштабное использование экологически чистой солнечной энергии становится полностью необходимым. Но это не значит, что у гелиоэнергетики нет противников. Вот их резоны: из-за низкой плотности солнечного излучения установка аппаратуры для его улавливания приведет к изъятию из землепользования огромных полезных площадей, не считая крайней дороговизны оборудования и материалов.
Пока же предстоит еще долгий путь, прежде чем удастся вырабатывать из солнечных лучей электроэнергию, сравнимую по стоимости с производимой за счет сжигания традиционного ископаемого топлива. Разумеется, нереально в таких условиях рассчитывать хотя бы в обозримом будущем перевести всю энергетику на гелиотехнику. Пока ее удел – набирать мощности и снижать стоимость своего киловатт-часа. При этом не стоит забывать, что с точки зрения экологии солнечная энергия действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе.
Водородная экономика
Один из самых необычных и, пожалуй, самых привлекательных сценариев энергетического будущего человечества открывает проект «Водородная экономика». Его суть заключается в замене ископаемого топлива водородом. Физический и химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе, каменном угле и дереве запасена в виде углеводородов – соединений углерода с водородом. И не углерод, а именно водород дает при сжигании наибольшее количество тепловой энергии, превращаемой затем в механическую.
Водорода на земле огромное количество, причем огромные его запасы сосредоточены не в углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и кислород. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греч «пир» – «огонь» и «лизис» - «разложение»), когда воду нагревают до очень высокой температуры, и электролиз, когда через воду пропускают электрический ток.
Однако оба этих способа очень энергоемки, а потому непригодны для получения больших количеств водорода. Но представьте себе, сто удастся найти метод легкого разрушения молекул воды. Тогда в технике произойдет настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни миллионов тонн нефти, угля и их производных. Превратится выброс в атмосферу вредных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива: ведь выхлоп двигателя, работающих на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно добывать гораздо в меньших количествах и использовать только как сырье для химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие необходимые людям вещи. Как тут не вспомнить великого русского химика Д.И. Менделеева, ко