проект по физике (2). Альтернативные
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
.Генерировать энергию возможно только в дневные часы, и соответственно для темного времени суток необходимо приобретать аккумуляторы. Риск. Есть мнение, что повсеместное применение солнечных панелей, теоретически способно изменить альбедо (свойство отражать солнечные лучи) нашей планеты, и способствовать изменению климата (но при нынешнем показателе потребления солнечной энергии, это весьма маловероятно). 1.3. Ветроэнергетика Свойства ветра и его запасы. Ветер - это направленное перемещение воздушных масс. Ветровую энергию можно рассматривать как одну из форм проявления солнечной энергии, потому что Солнце является тем первоисточником, который влияет на погодные явления на Земле. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем поверхности Земли. Поверхность воды и территории, закрытые облаками, нагреваются намного медленнее; соответственно, поверхность земли, доступная для солнечного излучения, нагревается быстрее. Воздух, находящийся над нагретой поверхностью, нагревается и поднимается вверх, создавая области пониженного давления. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления, тем самым создавая ветер. Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Таким образом, ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. На скорость ветра оказывают также значительное влияние географические условия и характер земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы, а также деревья и здания. Запас ветряной энергии практически неисчерпаем.Ее запасы на планете в сто с лишним раз больше, чем запасы гидроэнергии всех рек Земли. Общая мощность энергии ветра на земном шаре оценивается в 2,43 * 1015МВт. История развития Предположительно, первый механизм, который использовал энергию ветра, был простым устройством с вертикальной осью вращения лопастей, который использовался для размола зерна. Около 200 лет до н.э в Персии появились первые мельницы с горизонтальной осью вращения. Подобный примитивный тип ветряной мельницы применяется до наших дней во многих странах Средиземноморья. Первое письменное описание устройства для выполнения механической работы при использовании ветра – работа Герона, который в 1 веке н.э описал принцип работы ветряной мельницы В Средневековой Европе ветряные мельницы начали строиться после завершения крестоносцами Крестовых походов и их возвращению из Средней Азии. В Xстолетии во многих городах Европы начинают строить ветряные мельницы с использованием гидродвигателя. Уже XIV столетии по всей Европе начинается повсеместное использование ветряных мельниц для орошения полей в засушливых областях, для откачивания воды с земель, огражденных дамбами, а также для осушения болот и озер. Так, к примеру, в середине XIXстолетии в Голландии уже использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей. В начале XXстолетия резко возрос интерес к использованию энергии ветра для нужд промышленности и сельского хозяйства. В 1890 году в Королевстве Дания была построена первая ветряная электростанция, а к 1908 году из уже насчитывалось 72, установленной мощностью каждая от 5 до 25 кВт. К началу XXстолетия в Российской империи функционировало около 2,5 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. кВт. В 1931 году недалеко от Ялты была построена самая крупная на то время ветроэнергетическая установка общей мощностью около 100 кВт В период с 40-xпо 70-е прошлого столетия предпринимались неудачные попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике. Причиной этому было интенсивное строительство мощных тепловых гидро- и атомных электростанций,а также распределительных электросетей, обеспечивающих независимое от погодных условий энергоснабжение.Также способствовали невысокие цены на добываемую нефть. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1970-x после нефтяного кризиса. Переломный период явно показал сильную зависимость множества стран и их отраслей экономики от импорта нефти, что стало причиной поиска возможных вариантов для снижения этой зависимости. В настоящий момент ветроэнергетика является быстро развивающейся и перспективной отраслью. В 2007 г. общая мощность ВЭС в мире составила 94 млн. кВт с выработкой около 200 млрд. Принцип работыВЭУ Ветроэлектрическая установка (или ветроустановка) – комплекс устройств и оборудования, предназначенный для преобразования энергии ветрового потока в другой вид энергии. Ветроустановка преобразует кинетическую энергию ветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического использования. Существует два основных вида установок: с вертикальной осью вращения или с горизонтальной осью вращения. (см. Рис.2 в приложении) Ветроустановки включают следующие основные подсистемы и узлы: Ротор иди лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала; Кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор, генератор и другие системы; Башню, которая поддерживает ротор и кабину; Электрическое и электронное оборудование. В упрощенном виде принцип работы ветроустановки можно представить следующим образом. Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора. Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти. Использование ветряной энергии в современном мире. Энергия, получаемая из ветра, с древнейших времен используется для определенных нужд и потребностей. Рассмотрим немного ее использование в современности. Ветерявляется прекрасным источником энергии для объектов телекоммуникаций, так как расположение и высота площадок, которые подходят для установки антенн, подходят и для ветряных установок. Но ветряки, используемые в подобных местах, должны быть особо прочными, так как в горах слишком суровые климатические условия. Механическая энергия ветра всегда широко применялась человечеством для подъема водыв сельских или удалённых местностях. В настоящее время более 100 000 водяных насосов, работающих за счет энергии ветра, установлено в мире. Большинство из них расположено в сельских неэлектрифицированных районах. Они используются фермерами в первую очередь для обеспечения питьевой водой, а также водой, необходимой для хозяйственных нужд. Особый интерес в настоящее время представляет использование данного вида энергии для обеспечения электрической и тепловой энергией частных домов и коттеджей, то есть, ветряные электростанции для индивидуального пользования. Например, энергия ветра успешно используется для зарядки аккумуляторов и использования их для освещения и обеспечения работы бытовой техники. Малые ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию, которую можно хранить в аккумуляторах, а затем использовать ее тогда, когда это удобно домовладельцу. Но при использовании для получения энергии в индивидуальном хозяйстве, ветрогенераторы обычно сочетаются с другими видами генераторов: солнечными, геотермальными, водными. Преимущества и недостатки. Ветер, как неисчерпаемый и дешёвый источник энергии, имеет весомые плюсы. Преимущества Полное отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов. Ветровая энергия изобильна, чиста, безопасна и надежда в качестве ресурса для производства электроэнергии. Ее использование позволяет экономить на топливе, на процессе добычи и транспортировки. Цена производства электричества на ветровых станциях постоянно снижается (в отличие от производства энергии с использованием других энергоносителей). На самом деле, ветроэнергетика самый дешевый из возобновляемых источников энергии. Ветроэнергетика производит электроэнергию гораздо ближе к потребителю, что снижает ее потери и стоимость строительства линий электропередач. Недостатки Большая часть недостатков ветроэнергетики не существенна. По сравнению с традиционными источниками энергии они незначительные. Распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Ветер дует почти всегда неравномерно, поэтому и генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность. Ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится. В итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лишь малую часть времени, а остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо не работает. Возможные изменения в ландшафте. Энергия ветра не сможет сама по себе удовлетворить потребности в электричестве города, региона или государства целиком. Лучше использовать в качестве вспомогательного источника, в комбинации с природным топливом, гидроресурсами и атомными реакторами. 1.4. Геотермальная энергетика Тепло Земли как источник энергии. Геотермальная энергетика – это производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в недрах Земли. Источниками геотермальной энергии являются магма, горячие подземные воды и сухие нагретые породы. Объем Земли составляет примерно 1085 млрд. куб. км, и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру. Запасы геотермальной теплоты в 35 млрд раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа.Ясно, что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. При чем это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для ее получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. История развития. Первая централизованная система теплоснабжения на геотермальной энергии заработала в 14 веке во Франции. А первое промышленное использование началось в 1827 году в Италии, когда с помощью пара извлекали борную кислоту из содержимого грязевых вулканов. В США отопительная система, работающая исключительно на геотермальной энергии, появилась в 1892 году. Позднее, в 1926 году, гейзеры начали применять для нагревания теплиц в Исландии, а впоследствии – и для отопления домов. Используя изобретенный Уильямом Томсоном еще в 1852 году тепловой насос, мексиканско-швейцарский инженер Генрих Цоелли в 1912 году запатентовал идею применения данного насоса для извлечения пара из-под земли. Однако задумку удалось реализовать лишь в конце 1940-ых. В 1946 году Дж. Дональд Крокер сконструировал и продемонстрировал первый коммерческий вариант теплового насоса. А в 1948 году профессор Университета штата Огайон Карл Нильсен построил подобную установку около своего дома. В 1960 году в США в штате Калифорния начала действовать первая успешная геотермальная электростанциямощностью 11 МВт. Технология стала довольно популярной в Швеции после нефтяного кризиса 1973 года, но все еще принималась довольно холодно по всему миру. Однако после изобретения в 1979 году полибутиленовых труб эффективность использования геотермальной энергии существенно увеличилась. В 1967 году в СССР была представлена первая электростанция, работающая по методу двойного цикла. Новая технология позволяла получать электроэнергию, используя гораздо меньшие температуры. В 2006 году подобная электростанция была построена в Аляске, способная вырабатывать энергию из воды с рекордно низкой температурой 57°C. В 2008 г. в мире установленная мощность электрогенерирующих геотермальных установок составила около 11 млн. кВт с выработкой около 55 млрд. кВт·ч. По разным прогнозам, мощность геотермальных станций к 2030 г. возрастет до 40–70 млн. кВт. Принцип работы тепловых насосов и ГеоЭС Получение тепло- и электроэнергии из геотермальной энергии осуществляется с помощью разных устройств: геотермальные тепловые насосы и геотермальные электростанции. 1.Геотермальный тепловой насос – это устройство, осуществляющее обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия (энергия грунтов, грунтовых вод и поверхностей водоемов) переносится на более высокий уровень. Полученная энергия используется для отопления и обогрева зданий. Принцип работы геотермального теплового насоса (см. рис. 3 в приложении) состоит в том, что тепло от источников переносится в установку, где преобразовывается и передается в отопительный контур. Если говорить чуть подробнее, то все происходит так. В относительно теплой среде находится трубопровод с теплоносителем большой протяженности. Трубопровод чаще всего замкнутый, его движение обеспечивается насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды. Обычно это +5oC или чуть выше. Проходя по первому теплообменнику-испарителю, он отдает тепло находящемуся во втором контуре хладагенту. Хладагент — вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5oC. В большинстве установок используют фреон. До включения установки он находится в жидком состоянии. Потом, по мере поступления тепла от термальных источников, его температура поднимается. Фреон начинает испаряться, переходит в газообразное состояние. Этот газ уже имеет температуру порядка +5oC. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35oC до 65oC. Он поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдает тепловую энергию теплоносителю, который идет в контур отопления. Сам фреон, отдав большую часть тепла, частично остывает, но все еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Он поступает на сбросный клапан, где давление резко падает, он резко охлаждается и сжижается. После чего снова поступает в испаритель, где начинается новый цикл преобразования. 2. Геотермальная электростанция – вид электростанций, которые вырабатывают электроэнергию из теплоэнергии подземных источников. Наилучшими районами для возведения геотермальный электростанций являются те, где температура земной коры повышается быстрее всего. Вулканический район – прекрасный пример таких мест. Принцип работы ГеоЭС несложен (см.рис. 4 в приложении). Вода закачивается насосом вглубь земной коры через нагнетательную скважину. Скважина должна быть достаточно глубокой, чтобы достичь пород земной коры, разогретых выше температуры кипения воды.Вода просачивается сквозьпороду, нагревается и поднимается на поверхность через расположенную рядом эксплуатационную скважину. Из нее горячая вода поступает в испаритель, где частично превращается в пар.Неиспарившаяся вода из испарителя снова закачивается насосом вглубь земной Пар из испарителя приводит в движение паровую турбину, вращающую вал электрогенератора. Пройдя турбину, пар охлаждается в конденсаторе, снова превращаясь в жидкость, которая вновь закачивается вглубь Земли насосом вместе с не выпаренной в испарителе водой. |