Возобновляемые источники энергии

В настоящее время оформились два принципиально самостоятельных подхода, нацеленных на снижение отрицательного воздействия на окружающую среду. Первый подход характеризуется внедрением технических разработок, снижающих или частично подавляющих отрицательные последствия при традиционных способах энергопроизводства. Второй путь – это новые безотходные технологии получения электрической и тепловой энергии. При реализации первого направления требуются значительные затраты, а ущерб от отрицательных воздействий на среду, не поддается точной оценке. Второе направление, несмотря на затраты и перестройку процесса производства, несомненно, более перспективный и прогрессивный.

Преобразование энергии возобновляемых источников в наиболее пригодные формы её использования – электричество или тепло – обходится дороже на уровне сегодняшних знаний и технологии. Однако трудности, которые ожидают человечество в случае сохранения темпов прироста отрицательного воздействия на природу в результате промышленной деятельности и процесса энергопроизводства, в частности, вынуждают изыскивать средства для повышения эффективности этих «чистых» видов энергии. К возобновляемым источникам энергии относят солнечную, энергию ветра, морей и океанов, геотермальное тепло подземных источников.

Рассмотрим основные направления возможного использования возобновляемых источников, которые непосредственно связаны со снижением отрицательного воздействия на окружающую среду.

Солнечные электростанции, преобразующие солнечную энергию в электрическую – с непосредственным преобразованием или с преобразованием в тепловую энергию. Основные проблемы использования солнечной энергии – рассредоточенность и дискретность поступления по часам суток, времени года и географическим поясам. Ключевой проблемой применения солнечной энергии (что в определенной мере относится и к другим видам возобновляемых источников) является проблема аккумулирования. Если рассредоточенность излучения и необходимость создания устройств для концентрации определяются технико-экономическими характеристиками используемых для этого систем, то дискретность поступления энергии требует решения вопросов аккумулирования.

Солнечная энергия представляет «вечный» и потенциально огромный источник энергоснабжения, не вносящий какого-либо загрязнения в окружающую среду (мощность на поверхности Земли оценивается в 20 млрд. кВт). Наглядно масштабы поступления солнечной энергии характеризуются следующими цифрами: годовой её приход на Землю эквивалентен тонн условного топлива, для сравнения можно указать, что мировые запасы органического топлива оцениваются всего тонн условного топлива.

В технике использования солнечной энергии есть два разных направления:

1. электроснабжение, т.е. создание крупных солнечных электростанций;

2. теплоснабжение, горячее водоснабжение, опреснение.

В первом направлении солнечная энергия преобразуется в электричество, во втором – вне зависимости от конечного потребителя преобразуется первоначально в тепло.

В современной электроэнергетике используются солнечные станции работающие по термодинамическому циклу преобразования с подводом тепла в паротурбинном цикле (такой способ применяется на современных тепловых станциях). В горном районе Франции построена и действует солнечная печь с тепловой мощностью 1 тыс. кВт. Концентратор для этой установки имеет площадь 2000 м² и позволяет получить температуру до 3800 °С.

Ветровые электрические станции (ВЭС) - электростанции, использующие ветровую энергию. Энергия ветра – один из наиболее древних источников энергии. Она широко применялась для привода мельниц и водоподъемных устройств ещё в глубокой древности (Египет, Ближний Восток). Энергия ветра – результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различия плотностей нагретого и холодного воздуха – причина активных процессов перемещения воздушных масс. Следовательно, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая высвобождается в одной из своих форм – энергии воздушных течений.

Использование ВЭС в качестве единственного источника электроснабжения изолированного потребителя все же имеет существенный недостаток, связанный с ненадежностью бесперебойного обеспечения номинальной мощности. Необходимость иметь дублирующий источник электроснабжения, например дизельную электрическую станцию (ДЭС), снижает технико-экономическую эффективность применения ВЭС.

Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности Земли оценивается в кВт ч. Для практического использования реально можно рассматривать 10–20% указанной величины. При работе на общего потребителя многоагрегатные ВЭС позволяют более эффективно сглаживать порывы воздушных течении за счёт территориального рассредоточения отдельных агрегатов.

Основные районы преобразования энергии ветра в электрическую энергию – Тихоокеанское, Арктическое побережье и берега Каспийского моря.

Энергия океана – огромный источник природных энергетических ресурсов. В числе основных установок, использующих энергию океана, в настоящее время рассматриваются приливные электростанции (ПЭС), волновые электростанции (ВолЭС) и электростанции морских течений (ЭСМТ). Отдельное направление составляют энергоустановки, использующие наличие температурного градиента между верхними и нижними слоями Мирового океана – так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС), а также гидротермальные энергоустановки, использующие температурный градиент между водой океана и воздушными массами в северных районах.

Приливные электростанции (кинетогравитационные) – новое направление энергопроизводства, находящееся ещё в стадии опытно-экспериментального исследования. Потенциально энергия приливов – это значительные по ресурсам запасы. Предполагают, что только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды составляет около 1 млрд. кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира. Под приливной электростанцией (ПЭС) понимается электростанция, которая использует обе фазы этого уникального явления – прилив и отлив. В качестве примера можно привести Кислогубскую электростанцию (Россия) – 800 кВт, и ПЭС действующую во Франции – 240 МВт. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно, что отличает характер поступления энергии приливов от солнечной энергии и энергии ветра в особенности, приход которых носит ярко выраженный вероятностный характер.

Чередование приливов и отливов требует от гидротурбины ПЭС возможности работать при переменных направлениях вращения. В процессе каждой из двух фаз этого движения меняется напор перед гидротурбиной. Значит, чтобы при малых напорах ПЭС передавала в энергосистему приемлемую по величине мощность, необходимо компенсировать снижение напора увеличением расходов воды. А это удорожает стоимость строительства из-за необходимости увеличивать объёмы запасов воды во время прилива и соответственно стоимость земляных работ при создании аккумулирующих ёмкостей ПЭС. Кроме того, при переходе от прилива к отливу в течение определенного времени напор перед турбиной снижается практически до нуля (включение турбины ПЭС происходит при достижении минимально необходимого рабочего напора – несколько более полуметра). Однако широкая рассредоточенность приливной энергии по территории планеты, строгая цикличность поступления и, что особенно важно, полное отсутствие в процессе работы загрязнения окружающей среды ставят этот вид возобновляемого источника энергии в число потенциально перспективных к освоению. Эффективность применения ПЭС для целей электроснабжения возрастает в зонах с повышенной высотой приливов. Эти зоны находятся, как правило, в малоосвоенных районах северного и южного полушарий, где отсутствуют местные виды энергоресурсов, а транспортировка топлива обходится достаточно дорого.

Гидротермальные станции. В настоящее время энергетическому использованию температурного градиента различных слоёв воды в морях и океанах, т.е. созданию гидротермальных электростанций (ГиТЭС), также уделяется определенное внимание. Предложения по практическому использованию разности температур теплых верхних слоёв воды океанов и глубинных холодных слоев известны достаточно давно. В частности, французские специалисты Клод и Бушеро пытались практически реализовать этот температурный интервал в 10–15 ещё в середине 40-х годов. Однако на уровне инженерных решении тех лет предложение не нашло необходимой технической основы для реализации и не получило практического применения.

Энергия волн. Энергия, выделяемая при волновом движении масс воды в океане, действительно огромна. Средняя волна, высотой 3 м несет примерно 90 кВт мощности энергии на 1 м побережья. Однако практическая реализация данной энергии вызывает большие сложности. В настоящее время запатентован ряд технических решений по преобразованию энергии волн в электричество. Преимуществом здесь является возможность использовать энергию как горизонтального, так и вертикального движения волн. КПД этой механической системы приближается, по имеющимся оценкам, к 85% по сравнению с 50% в других системах. Основной принцип её действия заключается в том, что масса набегающей волны, как гидравлический поршень, перемещает в специальной камере воздух в процессе возвратно-поступательного движения волн. Конструкцию каналов для перемещения воды и воздуха соответственно предполагается располагать на морском дне в прибрежной области.

Энергия океанских течений. Установка в районах относительно сильных течений турбин большого диаметра и длинным ротором. Потоки воды течения вращают лопасти турбины, а через систему мультипликаторов, повышающих число оборотов, вращают и находящийся на её валу электрогенератор. В России работает Загорская ГАЭС мощностью 1,2 млн. кВт.

Геотермальная энергия - тепловая энергия, выделяющаяся при извержении вулканов, гейзеров и горячих источников. Первая успешная попытка использовать геотермальную энергию для производства электричества была осуществлена в Лордерелло (Италия) в 1904 году, где в паротурбинном цикле стали использовать выходящий из земли сухой пар. Предполагается, что при соответствующем развитии геотермальных тепловых электростанций (ГеоТЭС) энергия, вырабатываемая ими, будет стоить дешевле энергии, полученной любым другим способом.

Подобно солнечной энергии, энергия тепла Земли первоначально использовалась для отопления и горячего водоснабжения. Геотермальную активность района принято характеризовать показателем геотермической ступени, показывающим, через какое количество метров, при бурении температура термальных вод возрастает на 1°С. Этот показатель имеет размерность м/°С. В среднем по России характерно умеренное значение геотермической ступени – около 33,0 м/°С.

Однако при использовании геотермальных энергоустановок необходимо учитывать, что при их эксплуатации на поверхность выводятся значительные по объёму количества высокоминерализованной воды. При отсутствии возможности их обратной закачки в пласт возникает проблема засолонения земли. Кроме того, изменение давления в пласте в процессе длительной эксплуатации скважины влияет на уровень грунтовых вод в этом районе.

Поиск по сайту: