Author: Бурыченков Ефим
Возобновляемые источники энергии
Привет, в этой работе я хочу рассказать о возобновляемых источниках энергии. Начнем с того, что получение энергии из органического топлива уже устарело и вредит окружающей среде. Альтернативой использованию органического топлива являются установки на основе возобновляемых источников энергии, т.е. на природных. Разберемся, что такое возобновляемые источники энергии(ВИЭ)-это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планет, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения. Характерной особенностей ВИЭ является их неистощаемость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время – в пределах срока жизни одного поколения людей. Еще с древности люди пытались использовать силу ветра, энергию солнца и естественные источники тепла для своих нужд. Однако эти попытки были малоэффективными ввиду отсутствия достаточных знаний, технологий и материалов. До недавнего времени наиболее простым и дешевым способом получения электроэнергии и тепла считалось использование ископаемых источников: угля, нефти и природного газа. Но по мере ежегодного уменьшения запасов углеводородов на нашей планете и удорожания их добычи, возникла необходимость использовать возобновляемые источники энергии и эффективные энергосберегающие технологии. Но т.к. мы живем с вами в 21 веке и у нас есть достаточно знаний, мы можем уже потихоньку начинать строительства станций для выработки электроэнергии. Особенно в России , потому что наша страна очень богата и широка. Так же целый ряд стран, таких как США, Дания, Испания, Германия, Китай, Индия, Япония с успехом используют сгенерированную энергию, полученную от еѐ возобновляемых источников. Для России очень актуальна, ведь использование возобновляемых источников энергии, энергосберегающих энергоэффективных технологий позволит сэкономить не возобновляемые энергоресурсы (нефть, газ, уголь), радикально улучшить экологическую обстановку, а так же удешевить и упростить энергообеспечение удалѐнных объектов от сетевых магистралей. Приоритетным в этом направлении может стать развитие отраслей ветроэнергетики и гелиоэнергетики, что позволит:
- понизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии;
- улучшить экологию;
- качественно повысить уровень развития инфраструктур окраин нашей страны, удаленных населенных пунктов и объектов различного назначения, с наименьшими затратами.
Что же давайте рассмотрим ,какие есть источники ВИЭ. Чаще всего к возобновляемым источникам энергии относятся энергию солнечного излучения, ветра, потоков воды, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.
ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:
- механическая (энергия ветра и потоков воды)
- тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли)
- химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе)
Альтернативные источники электроэнергии:
Начнем с того, что каждая станция имеет свои плюсы и минусы. И это все обуславливается коэффициентом полезного действия и валовым потенциалом. Валовый потенциал-это количество энергии, заключенное в определенном виде энергоресурса, а коэффициент полезного действия определяет долю энергии, которая может быть превращена в механическую.
Начнем наверное с одной из самых простых на мой взгляд электростанций.
Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют механическую энергию потока воды в электроэнергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. Наибольший КПД гидроэлектростанция имеет тогда, когда поток воды падает на турбину сверху. Для этих целей строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и сосредотачивающая напор воды в месте расположения турбин. Негативным является то, что при постройке плотины образуется водохранилище. Вода заливает огромные площади и необратимо изменяет окружающую среду. Подъем уровня реки плотиной может вызвать заболоченность, засоленность, изменения прибрежной растительности и микроклимата. Кроме того, плотина перегораживает путь рыбе, идущей на нерест. Затапливаются поля и леса. Выселяются с насиженных мест люди. Что в совокупности приводит к значительным потерям. Необходимо выделить малую гидроэнергетику, преимущество которой заключается в том, что можно локально обеспечивать электроэнергией объекты, вблизи которых находятся соответствующие водные артерии. При этом окружающей среде не наносится никакого вреда. Качество воды не изменяется. Малыми ГЭС, в некоторых странах, считаются мощности до 10 МВт, а, например, в Китае – до 50 МВт.
Ветряные электростанции: их работа основана на использовании энергии ветра для получения электроэнергии от ветрогенераторов. Лопасти ветроколѐс имеют самую разнообразную форму и конфигурацию. Энергоресурс ветра неисчерпаем и экологичен, нет выбросов двуокиси углерода, за счѐт которой усиливается парниковый эффект. Нет дополнительных, вспомогательных и промежуточных устройств, агрегатов и производств, работающих на ископаемом топливе. По заключению «Global Wind Energy Council», к 2050 г. только мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 млрд. тонн. 17 Преимущества ветроэнергетики заключается и в возможности создания локальных энергорайонов там, где централизованные сетевые генерирующие системы находятся на значительном расстоянии. Это позволяет снижать затраты, зачастую – очень высокие, на прокладку централизованных сетей, что очень актуально в отдаленных районах и сельской местности. Производство ветряков достаточно дешево, но их мощность не очень значительна и эффективность зависит от погоды. Негативным является то, что для нормальной эффективной работы ветрового агрегата необходима скорость ветра 6-7 м/сек., а для мощных агрегатов, необходимы площади находящиеся на значительном удалении от поселений, так как мощные ветровые агрегаты при работе создают сильные шумы и инфразвук (поэтому крупные установки даже приходится иногда на ночь отключать). При отсутствии ветра важно иметь резервные источники или накопители энергии – аккумуляторы, либо совмещѐнные ветродизельные установки. Помимо этого, ветряные электростанции могут создавать помехи для воздушного сообщения и для радиоволн. Применение ветряков вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Для их использования необходимы значительные площади, большие, чем для других типов энергоустановок. Однако современные инновационные ветряки-роторы избавлены от этих недостатков, они способны работать при ничтожно малом движении воздуха, и не создают вредных ультразвуковых и шумовых эффектов. Их можно успешно и эффективно использовать для нужд г.Севастополя и других регионов. Небольшие комплексы таких ветряков – ветро-парки – могут состоять из ограниченного количества вертогенерирующих устройств, предназначенных для определенной цели, например: постоянное, круглогодичное обеспечение электроэнергией (с резервом) всех троллейбусных линий в городе, или конкретных объектов, в том числе – сельскохозяйственных.
Приливные электростанции:
Используют для выработки энергии силу морского прилива. Распространению этого вида электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо 18 не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы были бы достаточно сильны и постоянны. Приливная электростанция, построенная в декабре 2011 года в Южной Корее, мощностью 254 МВт, способна обеспечить электрической энергией город, число жителей которого составляет 500 тысяч человек. С ее помощью Южная Корея сможет экономить более 860 тыс. баррелей нефти в год. Однако намерения Южной Кореи идут дальше, и она не собирается останавливаться на достигнутом. Уже готова к запуску в эксплуатацию приливная электростанция мощностью 812 МВт. Недостаток приливных электростанций состоит в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, чаще всего имеют малую мощность, так как приливы бывают всего два раза в сутки. Они, в определенной степени, нарушают естественный обмен соленой и пресной воды. Электростанции, построенные на перепаде температур морской воды, обеспечивают выделение большого количества углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, остывание поверхностных. Это влияет на климат и на условия жизни морской флоры и фауны.
Волновая энергетика:
Использует энергию морских волн и является довольно перспективной. Волны представляют собой сконцентрированную энергию солнечного излучения и ветра. Мощность волнения в разных местах может превышать 100 кВт на погонный метр волнового фронта. Волнение есть практически всегда, даже в штиль – «мѐртвая зыбь». На Чѐрном море средняя мощность волнения составляет 15 кВт/м., в северных морях России – до 100 кВт/м. Использование волн может обеспечить энергией морские и прибрежные поселения. Мощность средней качки судна в несколько раз превышает мощность его силовой установки. Однако пока волновые электростанции не вышли за рамки единичных опытных образцов. В последнее время исследования показали, что мощность морских течений на много порядков превышает мощность всех рек мира. В связи с этим ведѐтся создание опытных морских гидроэлектростанций.
Геотермальные электростанции:
Они преобразуют внутреннее тепло Земли – энергию горячих пароводяных источников в электричество. Геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара 19 является не котѐл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостаток их состоит в рисках пробуждения сейсмической активности, а также в географической ограниченности их применения, ведь геотермальные станции рентабельно строить только в районах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны. Кроме этого, выходящие из-под земли газы могут, содержать отравляющие вещества.
Так же наибольшие перспективы имеет солнечная энергетика и водородная энергетика, основанная на использовании водорода в качестве топлива.
Водородная энергетика - это использование водорода в качестве топлива. Она имеет большие перспективы. Водород отличается очень высоким КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно чисто экологически. Существует ряд эксплуатационных проблем, связанных с хранением и транспортировкой водорода, этим и обуславливается такой замедленный темп внедрения установок по его использованию. Но нужно отметить, что ввиду своей высокой теплотворной способности и отсутствию привязанности к месторождениям (как в случае с углеводородами), в обозримом будущем водород может стать топливом №1
Современные технологии и разработки, в том числе и российских специалистов, позволяют получать водород на электролизерных установках с гелиевым электролитом. Выпускаются насосы, которые позволяют закачивать его в резервуары до давления 13кг.см.кв. Хранить водород можно и в стальных ѐмкостях, только в связи с его высокой летучестью и текучестью необходимо емкость покрывать хотя бы одним атомарным слоем алюминия. Применяя твѐрдооксидные топливные элементы, можно получать электричество.
Используя природный и сжиженный газ в быту, на производстве и в автомобилях мы выполняем требования безопасности, то же самое необходимо будет выполнять и при использовании водорода. При этом нужно отметить, что «летучесть» водорода гораздо выше, чем у природного и сжиженного газа, поэтому водород менее опасен, чем природный или сжиженный газ. Периодически из средств массовой информации мы узнаѐм, что где то произошѐл взрыв газового баллона, или утечка газа, но после этого никто не перестает пользоваться газом. Городские автобусы, маршрутные такси, в которых газ используется как топливо, также представляют собой объекты определенной опасности, как, впрочем, и бензобак автомобиля, всѐ дело в правильной эксплуатации и соблюдении необходимых мер безопасности, которые сводят риски, практически, к нулю.
Учитывая свойства водорода, для его хранения применяются следующие способы: Газобаллонный способ заключается в хранении водорода в сжатом виде в баллонах при давлении около 700 атмосфер. Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это довольно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% энергии, получаемой при использовании сжиженного водорода. К тому же, газ довольно быстро стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Металлогидридный способ наиболее перспективный. Он основан на том, что металлогидриды могут в огромных количествах поглощать водород и выделять его при нагреве. «Впитываемый» объѐм водорода составляет сотни литров на килограмм вещества! Однако стоимость металлогидридов пока весьма значительна. Разрабатываются и такие способы хранения водорода, как: углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода.
В этом и состоит экологический эффект: в атмосферу выбрасывается только чистый водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.
Солнечная энергетика (гелиоэнергетика) – основана на получении энергии от солнечного излучения и является очень перспективной. Еѐ можно условно разделить на два вида:
1.Преобразование солнечного излучения для получения электроэнергии (фотоэлектричества).
2.Использование солнечного теплового излучения для нагрева жидкостей-теплоносителей или воздуха.
1.Получение электроэнергии от солнечных лучей (фотоэлектричества), основано на преобразовании солнечного излучения в электричество. В основном для этого используются фотоэлектрические кремниевые модули. Сам генерирующий комплекс или ФЭС (фотоэлектрическая солнечная станция), состоит из нескольких элементов:
1.Фотоэлектрические модули, которые изготавливаются из полупроводниковых материалов, где происходит преобразование солнечного излучения в электроэнергию.
2.Контроллер заряда – прибор, который контролирует заряд АКБ (аккумуляторной батареи) от фотоэлектрических модулей (ФЭМ). АКБ и ФЭМ может быть несколько штук в системе ФЭС.
3.Инвертор – прибор для преобразования постоянного тока от АКБ в переменный ток, для подачи к потребителям. А также – коммутационные провода. Преимущество фотоэлектричества заключается в том, что все процессы по выработке электроэнергии происходят статически, без использования трущихся деталей и механизмов, что гарантирует отсутствие шумов при работе ФЭС и вероятность поломок сведена, практически, к нулю.
Солнечные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными веществами. Вся потребность человечества в энергии на 180 лет вперѐд, может быть обеспечена солнечной энергией, которая попадает на Землю всего за один день. Здесь, безусловно, имеется огромный потенциал для решения всех проблем мировой энергетики. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование – это дело будущего. Однако это не так, солнечная энергия является серьезной альтернативой «традиционной» энергетике уже в настоящее время.
Германии. Здесь же разработана новая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой 50-90 . Таким образом, из самих крыш домов созданы масштабные площади для получения значительного количества энергии. В отдельные дни в Германии количество энергии, полученной от солнечных батарей национальной энергосетью – превышает 50% суточного потребления электроэнергии. При том, что германия не является сильно солнечной страной.
На этой ноте, я хочу закончить свою работу и сделать вывод. Если взять допустим Россию, то в нашей стране есть все для этого. И будет просто один прекрасный день, когда мы полностью перейдем на возобновляемые экологические источники энергии, что бы не вредить окружающей среде, в которой мы находимся и живем. Всем большое спасибо, кто прочел мою работу.
Список используемых источников:
