Возобновляемые источники электроэнергии
Докладчик: Лыбзикова М.А., гр. 442 об2
Научн. рук.: Карпова Т.В.
ВВЕДЕНИЕ
Возобновляемыми энергоресурсами называют целую гамму энергетических ресурсов, основной характеристикой которых является то, что они постоянно возобновляются, не смотря на их использование. Кроме энергии приливов и отливов, все возобновляющиеся энергоресурсы получают подпитку от солнца - практически единственного источника энергии на нашей планете.
Структура нашей планеты достаточно сложная включает литосферу, гидросферу и атмосферу, из которых каждая обладает специфическими качествами и по разному реагирует на воздействие солнечной радиации. Наряду с неравномерным распределением солнечного света по земной поверхности всё это вызывает разницу в давлении, температуре, химическом потенциале и уровня солености воды. Эти различия, поддерживаемые солнечным излучением, и есть потенциальные источники энергии. В естественных условиях эти различия постепенно сглаживаются вследствие необратимого рассеивания, и какая-то определенная часть энергии, в конечном счете, уходит в космос.
Использование возобновляющихся источников энергии, по сути, есть вмешательство в процесс распределения солнечной энергии и использование этой энергии на нужды человека. К счастью в большинстве случаев между поглощением солнечной энергии тем или иным объектом и её выделением в космос в виде инфракрасных излучений проходит достаточно много времени. Это дает возможность воспользоваться выше упомянутой энергией.
1. Геотермальная энергия
Говоря просто геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли.
Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Остается надеяться, что повсеместное введение новой интенсивной циркуляционной технологии для производства геотермальной энергии приведет к более широкому ее использованию.
Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии. Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжение. Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого «сухого пара» т. Е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии. Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве - сбрасывать в ближний водоем.
В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют и затем используют для вращения турбин; капли воды повредили бы турбину. Наконец, в большинстве месторождений есть только горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).
Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое потому, что пар часто сопровождается газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе.
Вода и пар разделяются в циклонах. Вода, находящаяся под высоким давлением, преобразуется в пар и также используется для генерации электричества. Давление пара значительно меньше по сравнению с современными тепловыми электростанциями, и это вынуждает применять крупные турбины с ограниченной генерирующей способностью. Впрочем, следует иметь в виду, что топливо в данном случае бесплатное и результирующая стоимость энергии поэтому низка. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах, проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны. Этот способ может снабжать только небольшой долей требуемой энергии даже те страны, в которых доступны геотермальные воды, и тоже не свободен от проблемы загрязнения атмосферы. Основное направление развития геотермальной энергетики - отбор теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород путем закачки отработанной воды в пласты, преобразование глубинной теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую безопасность технологии ее использования.
1.1. Геотермальная электростанция
В поисках альтернативных источников энергии люди пришли к возможности использования геотермальных запасов земли. Ученые давно выяснили, что с продвижением вглубь планеты температура увеличивается. Так появилась идея использовать тепло земли в качестве источника энергии.
Увеличение температуры происходит за счет радиоактивного распада химических элементов, содержащихся в недрах земли. Разогретые до высоких температур породы нагревают воду, имеющуюся в земной коре.
Вода, нагретая выше 20°C, называется геотермальной. Температура геотермальных вод, поступающих на поверхность земли, может достигать 300°C, а температура пара доходить до 600°C.
Геотермальные воды с наиболее высокой температурой и пар используют для получения электроэнергии. Энергия, полученная таким способом, дешевле, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Наличие больших запасов геотермальной энергии в земной коре дает надежду на то, что у этой отрасли энергетики большое будущее.
Ученые выдвинули идею бурения скважин на глубину в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой получать разогретый пар. Температура в глубине скважин будет достигать 150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения электроэнергии или отопления. Данный способ назвали технологией "горячих сухих горных пород". Сейчас его испытывают в рамках экспериментального проекта, реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учеными в Эльзасе. В ходе испытаний уже удалось получить геотермальный пар, и в скором будущем ученые надеются получить с помощью него электрический ток.
Дальнейшее развитие этой отрасли энергетики обеспечит экономический рост страны, даст возможность отказаться от использования не возобновляемых источников энергии и улучшить экологическую обстановку.
2. Солнечная энергия
Солнечная энергетика -- направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
Строго говоря, почти все рассмотренные выше виды возобновляемых источников энергии, так или иначе, связаны с энергией Солнца.Солнечная энергия преобразуется в электрическую при помощи фотоэлектрических кремниевых ячеек, составляющих солнечные батареи. Солнечные электростанции не производят вредных выбросов в атмосферу и экологически безопасны, а источник их энергии - неисчерпаем. Но количество генерируемой фотоэлектрическими ячейками энергии напрямую зависит от солнечной активности, поэтому для круглосуточного использования их комплектуют аккумуляторными батареями. Солнечные электростанции могут круглогодично снабжать электроэнергией дома, здания и целые поселки.
Солнечная энергия также может быть использована для нагрева воды. Вакуумные солнечные коллекторы эффективно работают в периоды низкой солнечной активности и зимой, обеспечивая достаточное количество горячей воды.
С точки зрения экономики применение солнечной энергии является оправданным только для небольших локальных водонагревателей. «Солнечное» электричество пока в несколько раз дороже производимого на тепловых и атомных электростанциях.
3. Биотопливо
Биомасса может считаться возобновляемым источником энергии только в том случае, если она используется в количестве, не превышающем ее воспроизводство Ежегодно на земле произрастает и образуется биомассы в количестве 220 млрд. т сухого вещества с теплотворной способностью около 105 млрд т н.э. Примерно 65% биомассы можно использовать на энергетические цели, т. е. теоретический энергетический потенциал биомассы составляет около 70 млрд. т н.э. в год, что почти в 7 раз выше теоретического потенциала гидроресурсов при пересчете на замещаемое топливо. Считается, что в рамках концепции устойчивого развития можно использовать около 10% теоретического энергопотенциала биомассы, т.е. 7 млрд. т н.э. ежегодно. Реальное потребление в 2005 г. составило около 1,1 млрд. т н.э., т. е. примерно 16%. Биомасса, используемая в качестве энергоносителя, подразделяется на следующие основные категории:
•древесная (деревья, кустарник, лесная подстилка, бамбук и т.п.);
•недревесная (сахарный тростник, солома, хлопок, стебли и корни растений, трава, водные растения и т.д.);
•отходы переработки (шелуха, выжимки, скорлупа орехов, пищевые отходы, опилки, муниципальные отходы, отходы бумажного и гидролизного производства и т.д.);
•отходы животноводства;
•биотопливо (древесный уголь, топливные брикеты, метанол, этанол, рапсовое масло, биогаз и др.).
Основными причинами недостаточного использования энергопотенциала биомассы являются следующие:
•низкая калорийность по сравнению с традиционными видами топлива;
•большая исходная влажность некоторых категорий биомассы, требующая больших затрат на сушку;
•энергоемкость производства биотоплива (например, биогаза);
•большая доля транспортных расходов для энергоустановок большой мощности.
Считается, что с 1 га в среднем можно получить около 7 т н. э. энергии биомассы ежегодно. Таким образом, дополнительный энергопотенциал биомассы может составить 9 млрд. т н. э. в год. Для этого необходимы в соответствующем масштабе водные ресурсы, удобрения, техника, инфраструктура и т.д.
4.Гидроресурсы
Гидроэнергия в настоящее время является самым крупным возобновляемым источником производства электричества. Так, в 2007 г. гидроэлектростанции планеты выработали около 3000 млрд. кВт-ч, или 16%, общего производства электроэнергии
Физической основой гидроэнергии являются круговой процесс естественного испарения воды в океанах и крупных водоемах под действием солнечной радиации, перенос влаги облаками, осаждение ее на земную поверхность и возврат водными потоками в океаны и крупные земные водоемы (озера). Исключением из этой схемы по направлению потока воды является река Ангара, которая вытекает из озера Байкал и на которой построена одна из крупнейших в мире гидроэлектростанций.
Зная суммарный расход и сезонные изменения параметров водотоков, а также высоту над уровнем моря, можно определить теоретический потенциал для каждого региона. Необходимо отметить, что из общего объема потоков воды на земном шаре в 47 трлн. м3 только 28 трлн м3 - наземные водотоки, остальные - подземные.
Примерно 3,5 трлн. м3 воды в мире ежегодно расходуется на хозяйственные нужды (65% в сельском хозяйстве, 24% в промышленности, 7% в муниципальном секторе).
Основными ограничениями в использовании энергии рек и водотоков являются необходимость затопления большой площади земли при создании плотин (в настоящее время эта площадь по всему миру составляет более 450 тыс. км3, что более чем в 2 раза превышает территорию Республики Беларусь) и высокие капитальные затраты на строительство ГЭС. В последние годы во многих странах развиваются технологии создания средних, малых и мини-ГЭС, в которых эти ограничения до некоторой степени преодолеваются.
5.Энергия ветра
Так как ветер - это поток воздуха, распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может рассматриваться в качестве источника энергии. Кинетическая энергия единицы воздушной массы пропорциональная квадрату скорости ветра, а удельная мощность, переносимая ветром через единицу площади, пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому главной характеристикой ветра как источника энергии является его скорость.
Неравномерность распределения солнечного излучения по всему земному шару, различие в течение дня и ночи и различные физические характеристики морской воды и суши приводят к неоднородности атмосферной температуры и давления, что приводит к появлению ветра. Более или менее широкомасштабная и постоянная циркуляция воздуха, вызываемая разницей в температурах, происходит между экваториальными регионами и более высокими широтами. Эта разница вызывает движение воздуха в верхних слоях атмосферы от экватора к северу и югу, а в нижних - в обратном направлении. Действующая на эти потоки сила Кориолиса, отклоняет верхний поток к востоку, а нижний к западу, вызывая пассаты. Северо-восточные и юго-восточные пассаты являются одними из самых постоянных ветров на Земле со средней скоростью от 8 до 14 м/с. Скорость ветра имеет тенденцию к росту по мере приближения к южным широтам вплоть до 60-й параллели.
Существует два типа механизмов, подъемные и тянущие, которые способны преобразовывать мощность ветра в роторе в полезную энергию. В первом типе механизмов движущей силой является аэродинамическая подъемная сила, возникающая вследствие взаимодействия потока воздуха с аэродинамической поверхностью лопасти.
Этот же принцип действует и в самолетном крыле. Второй тип использует тянущую силу.
В настоящее время в крупномасштабных ветровых двигателях используются высокоскоростные механизмы, использующие подъемную силу и разработанные для работы с сильным ветром.
Механизмы, основанные на силе тяги, чаще всего меньших размеров с многополярными роторами, их применяют при низкой скорости ветра.
Главная часть ветроэнергетической установки - ротор. У крупных машин обычно бывает две или три лопасти, которые крепятся к втулке. Остальные узлы ветродвигателя размещены в гондоле, которая расположена на вершине высокой башни. Высота башни обычно примерно равна диаметру ротора.
Большие установки в пределах сотен киловатт подключаются к общей энергосистеме. В местах с благоприятными характеристиками ветра целесообразно устанавливать сразу несколько ветровых установок, образуя при этом ветровую электростанцию, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Подобные электростанции обычно высоко автоматизированы и обслуживаются небольшим персоналом. К ветровой турбине могут быть подсоединены два типа электрогенераторов: синхронный и асинхронный. В синхронном генераторе в обмотке ротора возникает магнитное поле, четко сопряженное с вращающимся магнитным полем статора. Поэтому ветровая турбина, соединенная с синхронным генератором, должна вращаться со строго постоянной скоростью, определяемой частотой сети.
На роторе асинхронного генератора нет обмотки, он состоит из короткозамкнутой обмотки - медных стержней, расположенных внутри сердечника из железных листов. Магнитное поле в таком роторе вызывается вращающимся магнитным полем статора. Однако это возможно только при наличии разницы между скоростью вращения ротора и частотой вращения магнитного поля статора. В режиме генератора ротор вращается быстрее магнитного поля со скольжением при нормальной работе порядка 1%. Преимущество асинхронного генератора состоит в том, что он обеспечивает более мягкое соединение ротора ветродвигателя с генератором. Незначительные изменения в скорости ветра не вызывают механического напряжения в приводе трансмиссии, так как они могут быть скомпенсированы незначительными изменениями скольжения в случае с синхронным генератором ротор ветродвигателя не может изменить скорости своего вращения, и неизбежные порывы ветра вызывают нежелательное механическое напряжение во всех узлах трансмиссии.
Как большинство неисчерпаемых источников энергии, энергия ветра предоставляется более предпочтительной в сравнении с обычными электростанциями, так как здесь отсутствует сжигание топлива и вредные выбросы в окружающую среду. Однако существуют другие аспекты, на которые следует обратить внимание, например противники ветровой энергии, заявляют, что высокие башни нарушают пейзаж. Но этот аргумент не так уж серьезен по своей сути. Но как было продемонстрировано на примере многих ветряных электростанций, как люди, так и птицы со временем привыкают к вращающимся лопастям.
Более серьезной проблемой может оказаться шум, производимый ветровыми установками. Были проведены соответствующие измерения, с помощью которых было определено расстояние, на котором шум от станции снижается до приемлемого уровня.
Во время работы кроме слышимых звуков турбины также издают звуковые волны частотой ниже порога слышимости. Этот так называемый инфразвук происходит от пертурбации воздушного потока во время прохождения лопасти вдоль башни. Так как скорость вращения ротора ветродвигателя обычно составляет 1 Гц, то для трехлопастного ротора частота примерно равна 3 Гц. Утверждается что инфразвук, распространяющийся на достаточно большие расстояния, может быть опасен для живых существ, так что эта проблема требует более детального изучения.
Существует также беспокойство, что громадные конструкции с их вращающимися пропеллерами могут вызывать помехи в телевещании на территории, прилегающие к станции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Потенциал возобновляющихся энергоресурсов, питающихся энергией солнца и возникающих вследствие взаимодействия Земли, Луны и Солнца, огромен. Были разработаны различные технологии по извлечению и использованию их энергии, которые непрестанно совершенствуются, что повышает конкурентоспособность возобновляемых источников энергии по сравнению с традиционными. Большинство возобновляемых источников энергии являются экологически чистыми, что сегодня является явным преимуществом. Биомасса и энергия ветра уже сейчас играет немало важную роль в энергетическом балансе некоторых стран. Проекты по использованию энергии волн и преобразовании термальной энергии океана большей частью находятся на стадии разработки, и их использование ограничено несколькими экспериментальными установками. Энергия приливов уже сейчас используется на коммерческом уровне и обещает серьезное развитие.
Будущее возобновляемых источников энергии, обсуждаемых здесь, зависит от ряда факторов: рост энергопотребления, рост численности населения, цены на ископаемое топливо, общественное мнение по поводу развития атомной энергетики, экологические вопросы и множество других.
