Реферат Альтернативные источники энергии. Реферат.. Альтернативные источники энергии
 Скачать 52.34 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Иркутский национальный исследовательский технический университет Институт Заочно-вечернего обучения Реферат по дисциплине «Промышленная экология» На тему: «Альтернативные источники энергии» Выполнил: студент группы Проверил: г. Иркутск 20г СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ "Энергия - это хлеб промышленности". Чем более развиты промышленность и технологии, тем больше энергии им требуется. Существует даже специальное понятие - "опережающее энергетическое развитие". Это означает, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом не могут быть построены до того, как будет определен или воссоздан источник энергии, который они потребляют. Поэтому по количеству производимой и потребляемой энергии можно довольно точно судить о технической и экономической мощи, или, проще говоря, о богатстве любой страны. В природе запасы энергии огромны. Он переносится солнечным светом, ветром и движущимися массами воды, накапливается в древесине, залежах газа, нефти, угля. Энергия, "заключенная" в ядрах атомов вещества, практически неограниченна. Но не все его формы подходят для непосредственного использования. За долгую историю энергетики накопилось множество технических средств и способов получения энергии и преобразования ее в нужные людям формы. На самом деле человек стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Костры были зажжены первыми людьми, которые еще не понимали его природы, но этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохранялся и совершенствовался на протяжении тысячелетий. К энергии собственных мышц и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели способ удаления химически связанной воды из глины с использованием тепловой энергии огнеупорных керамических печей, в которых были получены долговечные керамические изделия. Конечно, только тысячелетия спустя люди узнали о процессах, происходящих одновременно. Затем люди придумали Мельницы - технику преобразования энергии ветровых потоков и ветров в механическую энергию вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлических, паровых и газовых турбин, электрогенератора и двигателя человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовывать природную энергию в другие виды, пригодные для использования, и получают много работы. Поиски новых источников энергии на этом не закончились: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электричество и - уже в середине ХХ века - ядерные реакторы. Проблема обеспечения электроэнергией многих отраслей мировой экономики, постоянно растущих потребностей более чем шести миллиардов человек на Земле становится все более актуальной. Основу современной мировой энергетики составляют тепловые электростанции и гидроэлектростанции. Однако их развитию препятствуют многие факторы. Стоимость угля, нефти и газа, используемых тепловыми электростанциями, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. Кроме того, многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или не располагают ими. В процессе выработки электроэнергии на тепловых электростанциях в атмосферу выбрасываются вредные вещества. Более того, если топливом является уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с высоким содержанием ненужных примесей, выбросы достигают огромных масштабов. И, наконец, аварии на тепловых электростанциях наносят большой ущерб природе, сопоставимый с ущербом от любого крупномасштабного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи. Гидроэнергетические ресурсы развитых стран используются почти в полном объеме: большинство участков рек, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред гидроэлектростанции наносят природе! Выбросы гидроэлектростанций в атмосферу отсутствуют, но они наносят значительный ущерб водной среде. В первую очередь страдают рыбы, неспособные преодолеть гидроэлектростанции. На реках, где строятся гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады гидроэлектростанций, - количество воды резко меняется до и после плотин. Огромные водохранилища переполняются на равнинных реках, и затопленные земли безвозвратно теряются для сельского хозяйства, лесов, лугов и населенных пунктов. Что касается аварий на гидроэлектростанциях, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все гидроэлектростанции, расположенные под плотиной. Но большинство этих плотин расположено вблизи крупных городов с сотнями тысяч жителей. Выход из сложившейся ситуации виделся в развитии атомной энергетики. В конце 1989 года в мире было построено и эксплуатировалось более 400 атомных электростанций. Однако сегодня атомные электростанции больше не считаются источником дешевой и экологически чистой энергии. Топливом для атомной электростанции служит урановая руда - дорогостоящее и трудноизвлекаемое сырье, запасы которого ограничены. Кроме того, строительство и эксплуатация атомных электростанций сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь несколько стран в настоящее время продолжают строить новые атомные электростанции. Проблемы загрязнения окружающей среды являются серьезным препятствием для дальнейшего развития атомной энергетики. Все это еще больше усложняет отношение к ядерной энергетике. Все чаще звучат призывы к отказу от использования ядерного топлива в целом, закрытию всех атомных электростанций и возвращению к выработке электроэнергии на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях, а также к использованию так называемых возобновляемых - малых или "нетрадиционных" - видов производства энергии. К последним в основном относятся устройства и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и Земле. 1.ЭНЕРГИЯ ВОДЫ С середины нашего века началось изучение энергетических ресурсов, связанных с "возобновляемыми источниками энергии". Океан - это гигантская батарея и трансформатор солнечной энергии, которая преобразуется в энергию течениями, теплом и ветрами. Приливная энергия обусловлена приливными силами Луны и солнца. Энергетические ресурсы океана имеют огромное значение как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации существующих океанских энергетических систем показывает, что они не наносят ощутимого ущерба океанской среде. При планировании будущих энергетических систем океана мы тщательно изучаем их воздействие на окружающую среду. 2. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Уровень воды на морских побережьях меняется три раза в течение дня. Такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки истолковывали колебания уровня воды по воле Владыки морей Посейдона. В XVIII веке английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну приливов и отливов: огромные массы воды в океанах вызываются силами притяжения Луны и солнца. Каждые 6 часов 12 минут прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов варьируется в разных местах нашей планеты и колеблется от 4 до 20 м. Для устройства простейшей приливной электростанции (ТЭС) необходим бассейн – запруженный залив или устье реки. На плотине установлены водопропускные трубы и турбины. Во время прилива вода попадает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море совпадают, двери водопропускной трубы закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море снижается, и когда давление становится достаточным, подключенные к нему турбины и электрогенераторы начинают работать, и вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строить электростанцию в районах с колебаниями приливов не менее 4 м. Проектная мощность те зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливной волны, от количества турбин, установленных в теле плотины. На двухсторонних приливных электростанциях турбины работают, когда вода движется из моря в бассейн и обратно. Двусторонняя собака может непрерывно вырабатывать электроэнергию в течение 4-5 часов с перерывами по 1-2 часа четыре раза в день. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы - с двумя, тремя и большим количеством пулов, но стоимость таких проектов очень высока. Первая приливная электростанция мощностью 240 мВ была запущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроэлектростанции производят в среднем 502 миллиона киловатт-киловатт в год. один час электричества. Для этой станции была разработана приливная установка, которая обеспечивает три прямых и три обратных режима работы: в качестве генератора, в качестве насоса и в качестве водопропускной трубы, обеспечивая эффективную работу электростанции. По мнению экспертов, электростанция на реке Ранс экономически выгодна, ежегодные эксплуатационные расходы ниже, чем у гидроэлектростанций, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция является частью французской энергосистемы и используется эффективно. В 1968 году на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, была введена в эксплуатацию опытно-промышленная электростанция проектной мощностью 800 киловатт. Место его строительства - кислая губа - представляет собой узкую бухту шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя пропускная способность Кислогубской ТЭЦ невелика, ее строительство имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектных работ в области потребления приливной энергии. Существуют проекты крупных тепловых электростанций мощностью 320 мВ (Кольская) и 4000 мВ (Мезень) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Также планируется использовать огромный потенциал Охотского моря, где в некоторых местах, например, в Пенжинской бухте, высота прилива составляет 12,9 м, а в бухте Гижига - 12-14 м. Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 году в заливе Фунди, Канада, была введена в эксплуатацию 20-метровая электростанция (амплитуда прилива составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции малой мощности. В Великобритании разрабатывается проект электростанции мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м. С точки зрения экологии электростанция имеет неоспоримое преимущество перед тепловыми электростанциями, работающими на нефти и угле. Благоприятные предпосылки для более широкого использования приливной энергии связаны с возможностью использования новообразованной трубы Горлова, которая позволяет строить тепловые электростанции без плотин, что снижает стоимость их строительства. В ближайшие годы в Южной Корее должны быть построены первые электростанции без плотин. 3. ЭНЕРГИЯ ВОЛН Идея выработки электроэнергии из морских волн была выдвинута в 1935 году советским ученым К. Э. Циолковским. Работа волновых электростанций основана на воздействии волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.д. Механическая энергия их движений преобразуется в электричество с помощью электрогенераторов. Когда буй качается по волне, уровень воды в нем меняется. Из-за этого воздух выходит из него, а затем входит. Но движение воздуха возможно только через верхнее отверстие (такова конструкция буя). И там установлена турбина, которая всегда вращается в одном направлении, независимо от того, в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Второй тип установки представляет собой нечто вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне он выглядит как ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в коробку и питают турбину. А здесь для работы достаточно совсем небольшой морской волны. Также волны высотой 20 см освещаются лампочками общей мощностью 200 Вт. В настоящее время волновые электростанции используются для питания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно большие волновые станции можно использовать для защиты от волн на морских буровых платформах, открытых рейдах, фермах марикультуры. Началось промышленное использование энергии волн. В мире уже насчитывается около 400 маяков и навигационных буев, работающих на волновых устройствах. В Индии плавучий маяк порта Мадрас работает от энергии волн. Первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 киловатт работает в Норвегии с 1985 года. Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором района океана со стабильной подачей энергии волн, эффективной конструкцией станции, имеющей встроенные устройства для сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что волновые станции могут эффективно работать при использовании мощности около 80 киловатт/м. Опыт эксплуатации существующих устройств показал, что вырабатываемая ими электроэнергия по-прежнему в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости. В волновых установках с пневматическими инверторами под воздействием волн поток воздуха периодически меняет свое направление. Для этих условий была разработана скважинная турбина, ротор которой обладает восстановительным эффектом, оставляя направление вращения неизменным при изменении направления воздушного потока, поэтому направление вращения генератора поддерживается неизменным. Турбина нашла широкое применение в различных волновых электростанциях. Волновая электростанция "Каймэй" ("Морской свет") – самая мощная действующая электростанция с пневматическими преобразователями - была построена в Японии в 1976 году. В своей работе он использует волны высотой до 6-10 м. Баржа длиной 80 м, шириной 12 м и грузоподъемностью 500 тонн имеет 22 воздушные камеры, открытые снизу. Каждая пара камер приводится в движение одной скважинной турбиной. Общая мощность устройства составляет 1000 киловатт. Первые испытания были проведены в 1978-1979 годах близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 году в Норвегии, в 46 км к северо-западу от города Берген, была построена промышленная волновая станция, состоящая из двух устройств. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Это была железобетонная камера, вырытая в скале; над ним была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Результирующий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 киловатт, годовая выработка составляла 1,2 миллиона киловатт. Станционная башня была разрушена зимним штормом в конце 1988 года. Разрабатывается проект новой железобетонной башни. Конструкция второй установки состоит из конического канала в ущелье длиной около 170 м, с бетонными стенами высотой 15 м и шириной 55 м на дне, который входит в водохранилище между островами, отделенными от моря плотинами, и плотиной с энергетической установкой. Волны, проходящие по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в водохранилище, уровень которого составляет 3 м над уровнем моря. Из резервуара вода проходит через водяные турбины низкого давления мощностью 350 киловатт. Станция вырабатывает до 2 миллионов киловатт в год потребление электроэнергии. А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются камеры из мягкой оболочки. Они содержат воздух под давлением, немного превышающим атмосферное давление. Камеры сжимаются волновой прокаткой, из камер образуется замкнутый воздушный поток к монтажной раме и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины с электрогенераторами. Создается экспериментальная плавучая установка из 6 камер, установленная на раме длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность составляет 500 киловатт. Дальнейшее развитие показало, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки составляет до 1200 киловатт. Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 году. В 1978 году в Великобритании были испытаны экспериментальные модели океанских электростанций, основанных на аналогичном решении. Плот cockerel wave состоит из шарнирно соединенных секций, движение которых передается друг другу насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается якорями. Трехсекционный волновой плот коккереля длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может выдавать мощность до 2 тысяч киловатт. В СССР модель волнового плота была испытана в 70-х полетах на Черное море. Длина составляла 12 м, ширина - 0,4 м. Плавающий. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10-15 м установка развивала мощность 150 киловатт. Проект, известный как "Утка Солтера", представляет собой преобразователь энергии волн. Рабочая конструкция представляет собой поплавок ("утку"), профиль которого рассчитан в соответствии с законами гидродинамики. Проектом предусмотрена установка большого количества больших поплавков, последовательно смонтированных на общем валу. Под действием волн поплавки перемещаются и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. В то же время насосы работают внутри шахты, заполненной специально подготовленной водой. Благодаря системе труб разного диаметра создается разность давлений, которая приводит в действие турбины, установленные между поплавками и поднятые над уровнем моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на вал следует установить 20-30 поплавков. В 1978 году была испытана модель устройства, состоящая из 20 поплавков диаметром 1 м. Вырабатываемая мощность составляла 10 киловатт. Разработан проект более мощной установки из 20-30 поплавков диаметром 15 м, установленных на валу длиной 1200 м. Расчетная мощность устройства составляет 45 тысяч киловатт. Аналогичные системы, установленные вдоль западных берегов Британских островов, могут удовлетворить потребности Великобритании в электроэнергии. 4. ЭНЕРГИЯ ТЕЧЕНИЙ Сильнейшие океанские течения являются потенциальным источником энергии. Самая современная технология позволяет извлекать энергию токов со скоростью потока более 1 м/с. При этом мощность с 1 м2 поперечного сечения тока составляет около 1 киловатта. Использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, которые несут 83 и 55 миллионов кубометров/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридский поток (30 миллионов кубометров/с, скорость до 1,8 м/с), представляется перспективным. Течения в Гибралтарском проливе, Ла-Манше и Курильских островах интересны энергией океанов. Однако создание океанских электростанций, приводимых в действие течениями, по-прежнему связано с рядом технических проблем, главным образом с созданием крупных электростанций, угрожающих судоходству. Программа Кориолиса предусматривает установку 242 турбин с двумя роторами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях во Флоридском проливе в 30 км к востоку от Майами. Пара роторов расположена внутри полой алюминиевой камеры, которая обеспечивает плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колеса должны быть достаточно гибкими. Вся система Кориолиса общей протяженностью 60 км будет ориентирована вдоль основного потока; ее ширина с расположением турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Предполагалось, что агрегаты будут отбуксированы к месту установки и закопаны на глубине 30 м, чтобы не мешать навигации. После того, как большая часть южного торгового потока проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной - 80 км. В то же время он ускоряет свое движение до 2 м/с. Когда Флоридское течение усиливает Антильское, поток воды достигает максимума. Создается сила, вполне достаточная для приведения в действие турбины с широкими лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. За этим следует передача тока по подводному кабелю на берег. Материал турбины - алюминий. Срок службы составляет 80 лет. Его постоянное место находится под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического обслуживания. Его работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и мелкая рыба может свободно проплывать через турбину. Но большой вход закрыт защитной сеткой. Американские инженеры считают, что строительство такого сооружения обходится даже дешевле, чем строительство тепловых электростанций. Не нужно возводить здания, прокладывать дороги, устраивать склады. И эксплуатационные расходы значительно ниже. Чистая мощность каждой турбины с учетом эксплуатационных расходов и потерь при передаче на берег составит 43 мВ, что удовлетворит потребности штата Флорида (США) на 10%. Первый прототип такой турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Также был разработан проект турбины с ротором диаметром 12 м и мощностью 400 киловатт. 5. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА В течение очень долгого времени, видя, какие разрушения могут принести штормы и ураганы, человек задумывается о том, нельзя ли использовать энергию ветра. Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани впервые были построены древними персами более 1,5 тысяч лет назад. В будущем ветряные турбины усовершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и перекачивали воду, смешивали сливочное масло, как, например, в Голландии. Первый электрогенератор был построен в Дании в 1890 году. Спустя 20 лет в стране уже работали сотни подобных устройств. Энергия ветра очень высока. Его запасы, по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 триллионов киловатт-часов в год. Эту энергию можно получить, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и непредсказуема - он часто меняет направление, внезапно сменяется даже в самых ветреных районах мира, а иногда достигает такой силы, что ветряные турбины ломаются. Строительство, техническое обслуживание, ремонт ветряных турбин, непрерывно работающих в любую погоду на открытом воздухе, обходятся недешево. Ветроэлектростанция той же мощности, что и гидроэлектростанция, ТЭЦ или атомная электростанция, должна занимать большую площадь по сравнению с ними. Кроме того, ветряные электростанции небезобидны: они мешают полетам птиц и насекомых, создают шум, отражают радиоволны вращающимися лопастями и мешают приему телевизионных передач в близлежащих населенных пунктах. Принцип работы ветряных турбин очень прост: лопасти, вращающиеся за счет силы ветра, передают механическую энергию через вал к электрогенератору. Это, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию. Получается, что ветряные электростанции работают как игрушечные машинки на батарейках, только принцип их работы противоположный. Вместо преобразования электричества в механическую энергию энергия ветра преобразуется в электрический ток. Для получения энергии ветра используются разные модели: "ромашки" с несколькими лопастями; винты типа авиационных пропеллеров с тремя, двумя или даже одной лопастью (тогда у нее есть противовес); вертикальные роторы, напоминающие бочонок, разрезанный вдоль и нанизанный на ось; своеобразный вертолетный винт "стоит дыбом": внешние концы его лопастей изогнуты и соединены друг с другом. Вертикальные конструкции хороши тем, что они улавливают ветер любого направления. Остальное должно развеяться по ветру. Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, строятся огромные "ветряные электростанции". Ветряные турбины там стоят рядами на большом пространстве и работают от единой сети. С одной стороны, "ферму" может продувать ветром, а с другой, в это время здесь тихо. Ветряные турбины не следует размещать слишком близко, чтобы они не блокировались. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, Франции, Англии, а в Дании на прибрежном мелководье Северного моря была создана "ветроэлектростанция": там никто не мешает, и ветер более стабилен, чем на суше. Чтобы уменьшить зависимость от нестабильного направления и силы ветра, система включает маховики, которые частично сглаживают порывы ветра, и различные типы аккумуляторов. Чаще всего они бывают электрическими. Но они также используют воздушные (ветряная мельница нагнетает воздух в цилиндры; поступая оттуда, ее плавная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (вода поднимается на определенную высоту силой ветра и, падая вниз, вращает турбину). Также установлены электролизные батареи. Ветряная мельница вырабатывает электрический ток, который расщепляет воду на кислород и водород. Они хранятся в баллонах и при необходимости сжигаются в топливном элементе (то есть в химическом реакторе, где энергия топлива преобразуется в электричество) или в газовой турбине, снова получая ток, но без резких колебаний напряжения, связанных с колебаниями ветра. Сейчас в мире работает более 30 тысяч ветряных турбин различной мощности. Германия получает 10% своей электроэнергии от ветра, а по всей Западной Европе ветер обеспечивает 2500 МВт электроэнергии. Когда ветряные электростанции окупаются и их конструкции улучшаются, цена на электроэнергию в воздухе падает. Так, в 1993 году во Франции стоимость 1 киловатт-часа электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, составляла 40 сантиметров, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Однако энергия атомной электростанции стоит всего 12 сантиметров за 1 киловатт-час. 6. ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Около 4% всех запасов воды на нашей планете сосредоточено под землей – в каменных слоях. Воды, температура которых превышает 20°C, называются термальными (от греч. "терме" - "тепло", "жара"). Подземные озера и реки нагреваются за счет радиоактивных процессов и химических реакций, происходящих в недрах Земли. В районах вулканической активности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250°C; вода в них находится под высоким давлением, а потому не кипит. В горных районах термальные воды часто выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 С. Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды выходят на поверхность, строятся геотермальные электростанции (геотермальные электростанции). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геотермальная электростанция мощностью 5 МВт была построена в 1966 году на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 году его мощность составляла уже 11 мВ. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Тревеле, насчитывается 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. Геотермальные электростанции также работают в США (в Калифорнии, в долине великих гейзеров), Исландии (вблизи озера Миватн), Новой Зеландии (в районе вайраке), Мексике и Японии. Геотермальные установки устроены относительно просто: здесь нет котельной, оборудования для подачи топлива, золоуловителей и многих других устройств, необходимых для обычных тепловых электростанций. Пока топливо на геотермальной электростанции бесплатное, стоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже. Существует несколько схем выработки электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, подключенные к электрогенераторам. Косвенная схема: Пар предварительно очищается (перед поступлением в турбины) от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: сырой пар поступает в турбины, после чего не растворившиеся в нем газы удаляются из воды, образовавшейся в результате конденсации. Электростанция паужет работает по смешанной схеме. Смесь пара и воды, содержащая тепло в количестве 840 кДж/кг, выводится через скважину глубиной 350 м на поверхность и направляется в разделительное устройство. Здесь пар под давлением 225 кПа (выше 2 атм) отделяется от воды и подается в турбины; они вращаются и приводят в действие электрогенераторы. Пар, потребляемый в турбинах, поступает в смесительный конденсатор, где охлаждается и превращается в воду. Выделяющиеся в этом случае газы (азот и кислород) удаляются насосом. Горячая вода используется для обогрева населенных пунктов (120. Вода для охлаждения паром подается самотеком по трубопроводу длиной 600 м из реки паужетки. В России, Болгарии, Венгрии, Грузии, Исландии, США, Японии и других странах термальные воды используются для обогрева зданий, теплиц, теплиц, бассейнов. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно из горячих подземных источников. 7. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ Солнце изливает океан энергии на Землю. Человек буквально купается в этом Океане, Энергия повсюду. А человек, словно не замечая этого, вгрызается в землю в поисках угля и нефти, чтобы получить энергию для фабрик и заводов, для освещения и отопления. А ведь он черпает все ту же энергию солнца, которая была "поглощена" растениями прежних времен, ставшими впоследствии углем. Растения могут улавливать менее одного процента солнечной энергии, которая падает на листья, и еще меньше выделяется после сжигания угля. Солнечная энергия доступна каждому. Их почти столько, сколько вы хотите. Он экологически чист - он ничего не загрязняет, ничего не нарушает, дает жизнь всему, что существует на Земле. Кроме того, эта энергия бесплатна, но при всех своих преимуществах она также является самой дорогой. Поэтому солнечные электростанции не так распространены, как другие типы электростанций. На острове Сицилия, недалеко от вулкана Этна, известного своим бурным характером, находящаяся в начале 80-х гг. солнечная электростанция мощностью 1 мВ давала ток. Принцип его работы - башня. Зеркала направляют солнечные лучи на приемник, который расположен на высоте 50 м. Этот m производит пар с температурой более 500 ° C, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровой батареей. Неоспоримо доказано, что электростанции мощностью 10-20 мВ могут работать по этому принципу, а также многое другое, если такие модули объединить, присоединив их друг к другу. Несколько иной тип электростанции в Альмерии на юге Испании. Его отличие состоит в том, что тепло солнца, сосредоточенное на вершине башни, запускает цикл натрия (как в ядерных реакторах на быстрых нейтронах), и это уже нагревает воду с образованием пара. Этот вариант имеет много преимуществ. Натриевый тепловой аккумулятор обеспечивает не только бесперебойную работу электростанции, но и позволяет частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Пропускная способность испанской станции составляет всего 0,5 мВ. Но по его принципу можно создавать гораздо большие – до 300 мВ. В устройствах такого типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что эффективность процесса паровой турбины не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях. Этот принцип работы заложен в другой версии солнечной электростанции, разработанной в Германии. Его мощность также невелика – 20 мВ. Подвижные зеркала площадью 40 м2 каждое, управляемые микропроцессором, расположены вокруг 200-метровой башни. Они направляют солнечный свет на нагреватель, где установлен сжатый воздух. Он нагревается до 800 и приводит в действие две газовые турбины. Затем вода нагревается теплом того же отработанного воздуха, и паровая турбина уже начинает работать. Оказалось, что это два этапа выработки электроэнергии. В результате КПД станции возрос до 18%, что значительно выше, чем у других солнечных устройств. А в бывшем СССР под Керчью была построена станция мощностью 5 мВ. Вокруг башни 1600 зеркал расположены концентрическими зеркалами, направляя солнечные лучи в паровой котел, венчающий 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 м2 с помощью автоматики и электроприводов следят за солнцем и отражают солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ему плотность потока в 150 раз выше, чем у Солнца на поверхности Земли. Пар с температурой 250°C вырабатывается в котле при давлении 40 атмосфер, который поступает в паровую турбину. Специальные резервуары под давлением содержат воду, которая накапливает тепло для работы ночью и в пасмурную погоду. Благодаря этим батареям станция может работать еще 3-4 часа после захода солнца, а на половинной мощности – около половины дня. Солнечная энергия также используется в небольших автомобилях на солнечных батареях, космических станциях и спутниках. Работы ведутся, ведутся расчеты. Пока, однако, они не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения по-прежнему относятся к наиболее сложным и дорогостоящим техническим методам получения солнечной энергии. Но в мире может сложиться ситуация, когда относительно высокая стоимость солнечной энергии не будет ее самым большим недостатком. Речь идет о "тепловом загрязнении" планеты из-за гигантского объема потребления энергии. Необратимые последствия, говорят ученые, произойдут, если потребление энергии превысит нынешний уровень в сто раз. Это нельзя упускать из виду. Вывод ученых таков: на определенном этапе развития цивилизации масштабное использование экологически чистой солнечной энергии становится абсолютно необходимым. Но это не значит, что у солнечной энергии нет противников. Вот их причины: из-за низкой плотности солнечной радиации установка оборудования для ее улавливания приведет к выводу огромных полезных площадей из землепользования, не учитывая чрезвычайно высокую стоимость оборудования и материалов. В то же время предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем станет возможным производить электроэнергию из солнечных лучей, сопоставимую с затратами, получаемыми при сжигании традиционных ископаемых видов топлива. Конечно, в такой ситуации нереально ожидать, что хотя бы в ближайшем будущем вся энергия будет переведена на солнечную технологию. До сих пор ее предназначение - получать энергию и снижать стоимость своего киловатт-часа. В то же время не забывайте, что солнечная энергия действительно идеальна с точки зрения экологии, так как она не нарушает равновесия в природе. 8. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА Один из самых необычных и, пожалуй, наиболее привлекательных сценариев энергетического будущего человечества открывает проект "Водородная экономика". Его суть заключается в замене ископаемого топлива водородом. Физико-химическое значение проекта очевидно: основная энергия в нефти, газе, угле и древесине хранится в виде углеводородов - соединений углерода с водородом. И не углерод, а водород дает максимальное количество тепловой энергии при сгорании, которая затем преобразуется в механическую энергию. На Земле существует огромное количество водорода, и его огромные запасы сосредоточены не в углеводородах, а в воде. Но если их достаточно сжечь, чтобы получить энергию из нефти, газа, угля и древесины, то с водой этого сделать нельзя: водород и кислород слишком плотно связаны в ней. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греческого "пир" – "огонь" и "лизис" — "разложение"), когда вода нагревается до очень высокой температуры, и электролиз, когда через воду проходит электрический ток. Однако оба метода очень энергоемки и поэтому непригодны для получения больших количеств водорода. Но представьте, сможете ли вы найти способ легко разрушать молекулы воды. Тогда произойдет настоящая революция в технологиях. Сотни миллионов тонн нефти, угля и их производных больше не будут сжигаться в реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах и топках котлов. Изменится выброс опасных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива в атмосферу: ведь выхлоп двигателя, работающего на водороде, - это чистая вода. Полезные ископаемые можно добывать в гораздо меньших количествах и использовать только в качестве сырья для химической промышленности, которая производит пластмассы, лекарства и другие необходимые людям вещи. В XVIII веке говорили, что сжигать масло в печах - все равно что топить печь банкнотами. В настоящее время различные специалисты пытаются решить проблему промышленного производства дешевого водорода. Химики ищут катализатор, который будет разлагать воду с меньшими затратами энергии. Физики разрабатывают способы получения дешевой электроэнергии, в результате чего электролиз воды станет экономически выгодным. Биологи тоже не остались в стороне. Они пытаются уничтожить бактерии, которые могут расщеплять воду на кислород и водород с помощью солнечного света. Ученым давно известны микроорганизмы, выделяющие водород, но в таких малых количествах, что нет необходимости говорить об их промышленном использовании. Если продуктивность бактерий сможет увеличиться, то у человечества появится возможность пережить еще одну энергетическую революцию и получить новый, почти неисчерпаемый, рядом с экологически чистым источником энергии. 9. ЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА Препятствует приему и использованию "чистой" солнечной энергии на поверхности Земли в атмосфере. Решение напрашивается само собой: разместить солнечные электростанции в космосе, на околоземной орбите. Не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые сооружения, необходимые для "сбора" солнечной энергии. Такие станции обладают большим преимуществом. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и его выброс в космос предотвратит опасный перегрев земной атмосферы. Невозможно точно сказать, как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС) сегодня. А дизайнеры начали проектировать СКЭС еще в конце 60-х гг. ХХ века. Путь энергии от приемника электромагнитного излучения солнца к розетке в квартире или источнику питания машины может быть разным. В первых проектах предлагалось следующее: солнечные панели, вырабатывающие электроэнергию - сверхвысокочастотный (микроволновый) передатчик на СКЭС -приемник на земле - распределительные электрические станции. На практике это выглядело бы так: многокилометровые плоскости солнечных коллекторов на сплошной раме; решетчатые антенны передатчиков; аналогичные им (а также многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли... вариант, как быстро выяснилось, далек от идеального. Инженеры попытались полностью отказаться от использования солнечных панелей. Например, предлагалось использовать на станции различные инверторы (скажем, зеркала) для превращения солнечного света в тепло, кипячения рабочего тела и вращения турбин с электрогенераторами своим паром. Но даже в этом варианте процесс выработки энергии остается очень долгим: солнечный свет за счет тепла и механического движения превращается в электричество, затем снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем снова в электричество. Каждый этап приводит к потерям энергии; приемные антенны на земле должны занимать огромные площади. Но самое страшное, что микроволновый луч негативно влияет на ионосферу Земли, негативно влияет на десятки живых организмов. Поэтому пространство над антеннами должно быть закрыто для воздушных полетов. А как уберечь птиц от гибели? Те же проблемы возникают при передаче энергии через лазерный луч, который также сложнее преобразовать обратно в электрический ток. Целесообразнее использовать энергию, полученную в космосе, в космосе, не отправляя ее на Землю. Около 90% энергии, производимой на планете, расходуется на производство. Его основными потребителями являются металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Кстати, они также являются основными загрязнителями окружающей среды. Человечество пока не в состоянии обходиться без подобных постановок Задача, безусловно, самая сложная, и строительство солнечных космических электростанций - только первый шаг к ее решению. Ветряные турбины, бесплотинные гидроэлектростанции и другие экологически чистые электростанции справятся с производством электроэнергии для бытовых нужд. Каждая версия проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это огромное сооружение, а не только одно. Даже самый маленький СКЭС должен весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу придется запускать на орбиту далеко от Земли. Современные средства запуска могут доставить необходимое количество блоков, узлов и солнечных панелей на низкую опорную орбиту. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно изготовить их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электростанции должны быть доставлены на высокую орбиту и высажены там. А секция солнечной электростанции сможет самостоятельно долететь до "рабочего места", на ней должны быть установлены только электрические ракетные двигатели малой тяги. Но солнце - не единственный космический источник энергии, который могут использовать земляне. Вполне возможно, что другие небесные тела обладают энергоносителями, во много раз более мощными, чем те, которые имеются на нашей планете. Например, в поверхностных слоях лунного грунта обнаружены запасы гелия-3, которые отсутствуют на Земле. Предполагается, что из этого изотопа легче получить термоядерную энергию, чем из других. Между тем, несколько килограммов гелия - 3 удовлетворят годовую потребность всего человечества в энергии ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, спор о том, что опаснее и что выгоднее в производстве электроэнергии, еще не закончен. И в ближайшее время она вряд ли будет завершена. Человечество постоянно совершенствует способы получения необходимой ему энергии, в том числе электроэнергии. Но будет ли у этих и других новых методов будущее и насколько они будут безопасны для людей и природы? Эти вопросы нужно решать гораздо раньше, не дожидаясь катастроф и катаклизмов, которые становятся все более опасными по мере того, как человеческий разум проникает в тайны природы. Несмотря на внешнюю привлекательность "нетрадиционных" видов выработки электроэнергии, которые иногда называют "малой энергетикой", они имеют ряд недостатков. Это второе название само по себе говорит о том, что с их помощью пока при нынешнем уровне технологий и экономического развития невозможно получить столько электроэнергии, сколько с помощью тепловой, гидро- или атомной энергии. Например, в мире существует несколько электростанций, которые используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что могло быть лучше – почти безотходный способ получения энергии, почти вечный двигатель. Но оказывается, что если построить много таких станций, то они могут значительно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого вмешательства в природу может быть совершенно непредсказуемым и непоправимым. Солнечные электростанции, а также ветровые и геотермальные еще не везде могут быть построены. А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к ослаблению ветров, которые когда-то уносили смог и вредные отходы, выбрасываемые фабриками и заводами в окружающую среду с территории городов. Сейчас экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась. И их главным недостатком на сегодняшний день является высокая стоимость, большая потребность в большом количестве материалов и на очень большой территории, что тоже встречается не везде. Солнечные станции строятся на крышах домов и в космосе, на орбитальных станциях. При этом используются самые современные солнечные панели. К сожалению, традиционные виды производства электроэнергии пока не могут быть заменены в нужном объеме. Сегодня нефть и газ по-прежнему являются ведущими видами топлива. Но для каждого нового кубометра газа или тонны нефти вам нужно идти дальше на север или Восток, зарываясь глубже в землю. Неудивительно, что нефть и газ будут стоить все дороже и дороже. Торговля? Нам нужен новый энергетический лидер. Несомненно, там будут ядерные ресурсы. Запасы урана, по-видимому, не так велики по сравнению с запасами угля. Но, с другой стороны, он содержит в миллионы раз больше энергии на единицу веса, чем уголь. И результат таков: при получении электроэнергии на атомной электростанции приходится тратить в сотни тысяч раз меньше денег и труда, чем при получении энергии из угля. А ядерное топливо заменяет нефть и уголь... Так было всегда: следующий источник энергии был более мощным. Это была "воинственная" энергетическая линия. Это часто шло рука об руку с военным применением: атомная бомба, водород. В поисках избытка энергии человек все глубже погружался в элементарный мир природных явлений и какое-то время толком не задумывался о последствиях своих действий и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в конце двадцатого века, начинается новый, важный этап развития Земной Энергии. Существовала "щадящая" энергетическая система, построенная таким образом, чтобы человек не рубил ветку, на которой он сидит, заботясь о защите и без того сильно поврежденной биосферы. Энергия очень быстро накапливается, усваивается, впитывает новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергия связана буквально со всем, и все втягивается в энергию, зависящую от нее. Поэтому энергетическая химия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, содержащаяся в кварках, "черные дыры", вакуум - это лишь самые яркие вехи, ходы сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним Энергетическим днем. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. «Энергия будущего» А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1980 2. «Ключ к Солнцу» Е.Б. Борисов, И.И. Пятнова, М., Мол. Гвардия, 1964 3. Энциклопедия для детей. Техника, М., «Аванта+», 1999 4. Энциклопедия для детей. География, М., «Аванта +», 1994 5. «Энергетика: проблемы и надежды», Л.С. Юдасин, М., «Просвещение», 1990 6. «Энергетика сегодня и завтра», А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1987 7. «Занимательно об энергетике», Ю.Г. Чирков, М., «Мол. Гвардия», 1981 8. «Человек и океан», Громов Ф.Н., Горшков С.Г., С.-П., ВМФ, 1996 г. |