Нетрадиційні види енергії

05.07.2015

Нетрадиційні види енергії

Доповідь з фізики

На порозі XXI століття людина все частіше став замислюватися про те, що стане основою його існування в новій ері. Енергія була і залишається головною складовою життя людини. Люди пройшли шлях від першого багаття до атомних електростанцій.

Існують «традиційні» види альтернативної енергії: енергія Сонця і вітру, морських хвиль і гарячих джерел, припливів і відливів. На основі цих природних ресурсів були створені електростанції: вітряні, припливні, геотермальні, сонячні.

Вітряні електростанції

Принцип дії вітрових електростанцій простий: вітер крутить лопаті вітряка, приводячи в рух вал електрогенератора. Той в свою чергу виробляє електричну енергію. Виходить, що вітроелектростанції працюють, як іграшкові машини на батарейках, тільки принцип їх дії протилежний. Замість перетворення електричної енергії в механічну, енергія вітру перетворюється в електричний струм.

Для отримання енергії вітру застосовують різні конструкції: багатолопатеву «ромашки»; гвинти зразок літакових пропелерів з трьома, двома і навіть однієї лопаттю (тоді у неї є вантаж противагу); вертикальні ротори, що нагадують розрізану вздовж і насажанную на вісь бочку; подобу «встало дибки» вертолітного гвинта: зовнішні кінці його лопатей загнуті вгору і з’єднані між собою. Вертикальні конструкції хороші тим, що вловлюють вітер з будь-якого напряму. Іншим доводиться розвертатися за вітром.

Виробництво вітряків дуже дешево, але їх потужність мала, і їх робота залежить від погоди. До того ж вони дуже шумні, тому великі установки навіть припадає на ніч вимикати. Крім цього, вітряні електростанції створюють перешкоди для повітряного сполучення, та навіть для радіохвиль. Застосування вітряків викликає локальне ослаблення сили повітряних потоків, що заважає провітрюванню промислових районів і навіть впливає на клімат. Нарешті, для їх використання необхідні величезні площі багато більше, ніж для інших типів енергоустановок.

Припливні електростанції

Для вироблення електроенергії електростанції такого типу використовують енергію припливу. Перша така електростанція (Паужетская)

потужністю 5 МВт була побудована на Камчатці. Для влаштування найпростішої приливної електростанції (ПЕС) потрібен басейн — перекритий греблею затоку або гирлі річки. У греблі є водопропускні отвори і встановлені турбіни. Під час припливу вода надходить у басейн. Коли рівні води в басейні і море зрівняються, затвори водопропускних отворів закриваються. З настанням відливу рівень води в морі знижується, і, коли натиск стає достатнім, турбіни і сполучені з ним електрогенератори починають працювати, а вода з басейну поступово йде.

Вважається економічно доцільним будівництво ПЕС в районах з приливними коливаннями рівня моря не менше 4 м Проектна потужність ПЕС залежить від характеру припливу в районі будівництва станції, від об’єму і площі приливного басейну, від числа турбін, встановлених в тілі греблі.

У приливних електростанціях двосторонньої дії турбіни працюють при русі води з моря в басейн і назад. ПЕМ двосторонньої дії здатна виробляти електроенергію безперервно протягом 4-5 год з перервами в 1-2 год чотири рази на добу. Для збільшення часу роботи турбін існують більш складні схеми — з двома, трьома і більшою кількістю басейнів, проте вартість таких проектів дуже висока. Недолік приливних електростанцій в тому, що вони будуються тільки на березі морів і океанів, до того ж вони розвивають не дуже велику потужність, так і припливи бувають лише два рази на добу. І навіть вони екологічно безпечні.

Вони порушують нормальний обмін солоної та прісної води і тим самим — умови життя морської флори і фауни. Впливають вони і на клімат, оскільки змінюють енергетичний потенціал морських вод, їх швидкість і територію переміщення. Морські теплостанції, побудовані на перепаді температур морської води,сприяють виділенню великої кількості вуглекислоти, нагріванню і зниження тиску глибинних вод і охолодження поверхневих. А ці процеси не можуть не позначитися на клімат, флору та фауну регіону.

Геотермальні електростанції

Станції такого типу перетворять внутрішнє тепло Землі (енергію гарячих пароводяних джерел) в електрику. Перша геотермальна електростанція була побудована на Камчатці. Існує кілька схем отримання електроенергії на геотермальної електростанції. Пряма схема: природний пар направляється по трубах в турбіни, з’єднані з електрогенераторами. Непряма схема: пар заздалегідь (до того, як потрапляє в турбіни) очищають від газів, що викликають руйнування труб. Змішана схема: неочищений пара надходить у турбіни, а потім з води, що утворився в результаті конденсації, видаляють не розчинилися в ній гази.

До недоліків геотермальних електроустановок відноситься можливість локального осідання грунтів і пробудження сейсмічної активності. А виходять з-під землі гази створюють у околицях чималий шум і можуть, до того ж, містити отруйні речовини. Крім того, геотермальну електростанцію побудувати можна не скрізь, тому що для її споруди необхідні певні геологічні умови.

В даний час будуються сонячні електростанції в основному двох типів: СЕС баштового типу і СЕС розподіленого (модульного) типу.

В баштових СЕС використовується центральний приймач з полем геліостатів, забезпечує ступінь концентрації в кілька тисяч. Система стеження за Сонцем значно складна, так як потрібно обертання навколо двох осей. Управління системою здійснюється з допомогою ЕОМ. В якості робочого тіла в тепловому двигуні зазвичай використовується водяна пара з температурою до 550о С, повітря та інші гази — до 1000 С, низькокиплячі органічні рідини (у тому числі фреони) — до 100 о С, жидкометаллические теплоносії — до 800 про С.

Сонячні електростанції

Головним недоліком баштових СЕС є їх висока вартість і велика площа. Так, для розміщення СЕС потужністю 100 МВт потрібно площу в 200 га, а для АЕС потужністю 1000 МВт — 50 га. Баштові СЕС потужністю до 10 МВт нерентабельні, їх оптимальна потужність дорівнює 100 МВт. а висота вежі 250 м.

В СЕС розподільного (модульного) типу використовується велика кількість модулів, кожен з яких включає параболо-циліндричний концентратори сонячного випромінювання і приймач, розташований у фокусі концентратора і використовується для нагрівання робочої рідини, що подається в тепловий двигун, який сполучений з електрогенератором. Найбільша СЕС цього типу збудована у США і має потужність 12,5 МВт.

При невеликій потужності СЕС модульного типу більш економічні ніж баштові. У СЕС модульного типу зазвичай використовуються лінійні концентратори сонячної енергії з максимальною ступенем концентрації близько 100.

Енергія сонячної радіації може бути перетворена в постійний електричний струм за допомогою сонячних батарей — пристроїв, що складаються з тонких плівок кремнію або інших напівпровідникових матеріалів. Перевага фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) обумовлено відсутністю рухомих частин, їх високою надійністю і стабільністю. При цьому термін їх служби практично не обмежений. Вони мають малу масу, відрізняються простотою обслуговування, ефективним використанням як прямий, так і розсіяної сонячної радіації. Модульний тип конструкцій дозволяє створювати установки практично будь-якої потужності і робить їх вельми перспективними. Недоліком ФЕП є висока вартість і низький ККД (в даний час практично 10-12 %).

Сонячні батареї поки що використовуються в основному в космосі, а на Землі тільки для енергопостачання автономних споживачів потужністю до 1 кВт, живлення радіонавігаційної і малопотужної радіоелектронної апаратури, приводу експериментальних електромобілів і літаків. У 1988 р. в Австралії відбулися перші всесвітні ралі сонячних автомобілів. По мірі вдосконалення сонячних батарей вони будуть знаходити застосування в житлових будинках для автономного енергопостачання, тобто опалення та гарячого водопостачання, а також для вироблення електроенергії для освітлення і живлення побутових електроприладів.

Термоядерні електростанції

В даний час учені працюють над створенням Термоядерних електростанцій, перевагою яких є забезпечення електроенергією людства на необмежений час. Термоядерна електростанція працює на основі термоядерного синтезу — реакції синтезу важких ізотопів водню з утворенням гелію і виділенням енергії. Реакція термоядерного синтезу не дає газоподібних і рідких радіоактивних відходів, не напрацьовує плутоній, який використовується для виробництва ядерної зброї. Якщо ще врахувати, що пальним для термоядерних станцій буде важкий ізотоп водню дейтерій, який отримують з простої води — в півлітрі води укладена енергія синтезу, еквівалентна тій, що вийде при спалюванні бочки бензину, — то переваги електростанцій, заснованих на термоядерної реакції, стають очевидними.

Інтернаціональний термоядерний реактор ITER

Хочеться вірити, що ера екологічно небезпечних ГЕС і АЕС скоро закінчиться, і настане час нових електростанцій — термоядерних. Але, незважаючи на те, що проект ITER (Міжнародний термоядерний реактор) вже майже готовий; незважаючи на те, що вже на перших діючих експериментальних термоядерних реакторах отримана потужність, що перевищує 10 МВт — рівень перших атомних електростанцій, перша термоядерна електростанція почне працювати не раніше, ніж років через двадцять, тому що її вартість дуже велика. Наприклад, для побудови Ітера потрібно, за найскромнішими підрахунками, від 8 до 10 млрд. доларів і 10 років роботи. Ці цифри викликають глибоке збентеження в учасників проекту, США навіть вийшли з нього.

Поновлювані види енергії

Висувається безліч різних ідей і пропозицій щодо використання всіляких відновлюваних видів енергії. Навіть гній може служити джерелом енергії! Як паливо використовують не тільки гній, але і продукти його переробки. Переробляють гній частіше спільно з відходами комунального господарства. Справа в тому, що обидва види біомаси містять мікроорганізми, які у певних умов (зокрема, при температурі 50-60оС, без доступу повітря) розкладають органічні речовини до біогазу*. Цей процес обов’язково відбувається з участю особливих речовин — ферментів — і тому називається ферментацією.Відходи йдуть по трубопроводу на електростанцію, де в спеціальному реакторі піддаються біологічній переробці. Утворений газ використовується для отримання електроенергії, а перероблені бактеріями відходи — для добрива.Основною складовою біогазу є метан, при згорянні якого виділяється тепло. Установки для ферментації гною дуже зручно використовувати на фермах, повністю забезпечуючи їх потреби в енергії (рисунок). Ферментація гною — дуже економічна технологія. Недоліками отримання і використання біогазу є його підвищена вибухонебезпечність і можливість зараження людини паразитами, що мешкають у разлагающейся біомасі. Переробляючи 70 тонн гною щодня, можна отримати 40 КВт/год

Також ви можете прочитати