Альтернативные источники энергии. Что это такое? | Левтеров Алексей Олегович. Работа №314446

Альтернативные источники энергии. Что это такое?

Альтернативные источники энергии – это приборы, способы, устройства, или сооружения, позволяющие получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющие собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.

К таким источникам энергии относят: энергию Солнца, ветра, тепла Земли, энергию морей и океана, биомассу, новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород, а также некоторые виды топливных спиртов и водород.

Многие из нетрадиционных источников энергии являются сложными энергоресурсами, компоненты которых позволяют получать нетопливную продукцию, широко применяемую в химии, строительной индустрии, сельском хозяйстве, металлургии и т.д.

Основным преимуществом альтернативных источников энергии является неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет экологическое состояние планеты, не несет абсолютно никакого вреда для её жителей. Такие источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия. Все эти факторы позволяют утверждать, что альтернативная энергетика очень важна для сохранения Земли, ведь использование традиционных видов энергии истощает ресурсы и приводит к экологически неприятным последствиям.

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.

В настоящий момент ветроэнергетика является быстро развивающейся и перспективной отраслью. В 2022 г. общая мощность ВЭС в мире составила 740 ГВт и увеличилась на 26% к предыдущему 2021 году. 

Принцип работы ВЭУ

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.

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.

Ветер является 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 воды в 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

Нет

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 отл

ичие от производства энергии с и

спользованием 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 прекрати

т

ся. 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

.

Солнечная энергетика

Солнце как источник энергии

Солнце – единственный источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Этот резервуар неисчерпаем. Достаточно сказать, что в течение следующего миллиарда лет Солнце израсходует меньше 1% аккумулированной в нём энергии.

Планета Земля, находясь на расстоянии 147 миллионов километров от Солнца, не получает и одной миллиардной доли потока энергии, излучаемой Солнцем. Кроме того, около 30% солнечного излучения отражается атмосферой обратно, а еще 20% поглощается. В результате, лишь 50% его достигает поверхности нашей планеты. Несмотря на это, стоит отметить, что 170 миллионов самых мощных электростанций мира вырабатывают столько же. Это огромное количество энергии, непрерывно приходящее на поверхность Земли от Солнца в течение года, в 30 000 раз больше той энергии, которая поступает за это время в мировую энергетическую систему от остальных источников энергии.

Способы преобразования энергии и принцип работы солнечных батарей.

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии:

фототермический

;

фотоэлектрический

;

В первом, довольно простом фототермическом способе теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры, а затем используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания специальным образом, так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) – тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) – химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1м2 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90 градусов по Цельсию. Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать водой многие дома в южных районах России.

Во втором способе, фотоэлектрическом, используется прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов – солнечных батарей. Этот способ считается самым перспективным.

Существует множество солнечных батарей (фотоэлектрических модулей), разных типов и размеров. Основные - кремниевые и пленочные. Наиболее распространенные – это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 35-170 Вт. Так как в земной коре очень много кремния, эти батареи выгодны в использовании и имеют высокую производительность.

Применение солнечных батарей в современном мире.

Солнечные батареи массово применяются во многих отраслях за счет своей многофункциональности и простоты.

В современной архитектуре все чаще планируют строить дома с встроенными аккумуляторными источниками солнечной энергии. Солнечные батареи устанавливают на крышах зданий или на специальных опорах.

Многие мировые производители электроники и бытовых приборов уже начинают внедрять солнечные панели в свою продукцию. Простой тому пример – обыкновенный калькулятор. Мы часто пользуемся им для расчетов и вычислений, но даже не задумываемся о принципе его работы. Однако все современные калькуляторы работают благодаря солнечной энергии. Более того, в современном мире существует масса полезных приборов, которые оснащены небольшой солнечной панелью. Это различные зарядные устройства для мобильных телефонов и аккумуляторов, фонарики, мобильные телефоны и так далее. Потенциал огромен и не имеет границ.

В космонавтике солнечные батареи играют существенную роль. Эти устройства являются автономными источниками электричества, снабжающие электроэнергией все системы и установки жизнеобеспечения космических станций, а также обеспечивают бесперебойную и качественную работу всей аппаратуры.  Батареи одновременно питают электричеством оборудование и заряжают аккумуляторы, которые будут снабжать электроэнергией космические устройства в теневых участках орбиты.

Одна из важнейших отраслей использования энергии Солнца – автомобилестроение. Электромобили на солнечных батареях могут ехать тысячу километров без подзарядки, а также развивать значительную скорость – до 150 км/ч.

Преимущества и недостатки.

Преимущества

Рассматривая излучения от солнца, как источник энергии, необходимо отметить, что эта энергия бесконечна. Это представляет собой большой плюс.

Глобальность

. Запас солнечной энергетики весьма огромен и используется по всему миру. Кроме того

,

десятки стран практически живут на солнечной энергии

Доступность

. Энергию из солнечных лучей можно собирать и использовать каждый летний (и даже зимний) день, по всей поверхности Земли.

Безопасность для окружающей среды

. Экологическая чистота, принципиальный фактор в добывании энергии для человеческих нужд. Сравнивая затраты и воздействия на природу традиционных способов получения энергии, с получением энергии от Солнца, можно убедиться в небольшом воздействии на природу и атмосферу от производств, перевозки и установки солнечных батарей. Это бесспорно важнейшее мероприятие в направлении борьбы с глобальным потеплением.

Передовые технологии

.

Солнечная энергетика не стоит на месте. Каждый год появляются все новые разработки из более лучших материалов, увеличивается КПД солнечной панели, что позволяет солнечным панелям занимать все меньше места и вырабатывать все больше энергии. Современные разработки в области технологии изготовления солнечных панелей позволят увеличить КПД в обозримом будущем до 50%.

Недостатки

Негатива от солнечных батарей очень мало, однако иногда они могут показаться принципиальными. К примеру:

Высокая стоимость

. Стоимость батарей весьма высока, восстановление затрат растягивается надолго.

Требуется много места.

Для установки солнечных батарей нужны большие территории.

Нестабильность.

За счет того, что солнечный свет отсутствует в ночное время, а также в пасмурные и дождливые дни, солнечная энергия не может служить основным источником электроэнергии.

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.

Принцип работы тепловых насосов и ГеоЭС

Получение тепло- и электроэнергии из геотермальной энергии осуществляется с помощью разных устройств: геотермальные тепловые насосы и геотермальные электростанции.

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 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.

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 сквозь породу, 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.

Применение геотермальной энергии.

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. С этим связано и использование ее человечеством.

На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.

Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, и Гватемале.

Одна из наиболее перспективных сфер – частный сектор, для которого геотермальная энергия – это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь – при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.

Преимущества и недостатки геотермальной энергетики.

Преимущества:

Геотермальную энергию можно использовать в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, а также для выработки электроэнергии.

Не требуется поставки топлива из внешних источников.

Обычная геотермальная станция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды, которую можно затем использовать для питья или ирригации (орошение). Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции – разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции

.

Данный вид энергии практически неиссякаем и имеет полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Использование этой э

нергии позволяет обеспечить тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное эн

ергоснабжение отсутствует или обходится слишком

дорого

(например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.)

Геотермальная энергетика гарантирует практически полную безопасность для окружающей среды.

Практически отсутствуют какие-либо вредные или токсичные выбросы

.

Недостатки:

Требуется определенное местоположение для бурения скважин. На самом деле не так много мест в мире, где

можно строить геотермальные электростанции.

Несмотря на почти полную экологическую безопасность, высока вероятность минерализации термальных вод большинства месторождений и наличия в воде токсичных соединений и металлов.

Для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды и на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.