Кока Марія Григорівна нетрадиційні джерела енергії лубни – 2014



Сторінка1/3
Дата конвертації24.04.2016
Розмір0.59 Mb.
  1   2   3
Лубенська районна державна адміністрація

Відділ освіти

Лубенський районний науково-методичний центр

Пісківська загальноосвітня школа І-ІІ ступенів


Кока Марія Григорівна

НЕТРАДИЦІЙНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

Лубни – 2014

Упорядник:

Кока Марія Григорівна, учитель фізики та математики Пісківської загальноосвітньої школи І-ІІ ступенів, стаж роботи 43 роки.

Даний посібник містить інформацію про нетрадиційні джерела енергії, їх можливості і рівень застосування в Україні та в інших державах світу.

Матеріал може бути використаний на уроках фізики для поглиблення знань про види енергії та її особливості, а також у позакласній роботі.

Рекомендовано учителям фізики для використання на уроках та в позакласній роботі з предмета.

Апробовано учителями Войнихівського методичного округу.

Рецензенти:

Твердоступ Марина Юріївна, директор Лубенського районного науково-методичного центру;

Кравченко Лариса Григорівна, методист Лубенського районного науково-методичного центру

Рекомендовано радою Лубенського районного науково-методичного центру, протокол №1 від 25.01.2014

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………..4



  1. Геотермальна енергія……………………………………………………5

    1. Загальна характеристика…………………………………………6

    2. Використання геотермальних енергій…………………………..6

    3. Переваги і недоліки геотермальної енергії……………………..7

  2. Вітрова енергія…………………………………………………………..8

    1. Історія використання вітру………………………………………8

    2. Вітроенергетика України……………………………………….10

    3. Розвиток вітроенергетики в країнах ЄС……………………….11

    4. Розвиток вітроенергетики в інших країнах……………………11

  3. Гідротермальні системи……………………………………………….12

  4. Теплова енергія океану………………………………………………...13

    1. Енергія припливів і відпливів…………………………………...14

    2. Недоліки ПЕС……………………………………………………17

    3. Енергія морських течій………………………………………….18

  5. Види променевої енергії……………………………………………….19

    1. Енергія Сонця…………………………………………………….19

    2. Атомна енергія……………………………………………………22

      1. Ядерна енергетика і загальна характеристика……………....22

      2. Ядерна енергетика в світі…………………………………….26

      3. Ядерна енергетика України…………………………………..27

      4. Перспективи атомної енергетики……………………………28

    3. Воднева енергія…………………………………………………...29

5.3.1.Основи водневої енергетики……………………………….29

5.3.2. Методи виробництва………………………………………31

5.3.3. Воднева енергетика в Україні……………………………..33

6. Список використаних джерел…………………………………………..35


Вступ

Потреби в енергії для людства збільшуються з кожним роком. Але разом з тим запаси традиційних природних джерел енергії (нафти, вугілля, газу) вичерпні. Скінченні також і запаси ядерного палива урану і торію, з яких отримують у реакторах–розмножувачах плутоній. Залишаються лише запаси термоядерного палива – водню, які можуть бути використані для промислового одержання енергії в чистому вигляді.

Отже, щоб мати потрібні запаси енергії залишаються лише два шляхи: економія при витраті енергоресурсів і використання нетрадиційних джерел енергії.

Людство зараз стоїть перед проблемою енергетичного голоду. Не сходять зі сторінок газет і журналів статті про енергетичну кризу, через нафту виникають війни, розквітають та зубожіють держави, змінюються уряди. Зараз розробляються гігантські енергетичні програми, але здійснення їх вимагає величезних зусиль і матеріальних витрат.

Рівень матеріальної, а в кінцевому рахунку і духовної культури людей знаходиться у прямій залежності від кількості енергії, що є в їхньому розпорядженні.

Поняття енергії складалося у фізиці протягом багатьох століть. Його розуміння весь час змінювалося. Вперше термін енергія у сучасному фізичному розумінні застосував у 1808 році Томас Янг. До того вживався термін «життєва сила» (лат. vis viva), який ще в 17-му столітті ввів у обіг Лейбніц, визначивши його як добуток маси на квадрат швидкості.
У  1829 році Коріоліс уперше застосував термін кінетична енергія в сучасному сенсі, а термін потенціальна енергія був запроваджений  Вільямом Ренкіном у  1853 році. На той час отримані в дослідженнях у різних областях науки дані почали складатися в загальну картину. Завдяки дослідам Джоуля, Маєра, Гельмгольца прояснилося питання перетворення механічної енергії в теплову. В одній з перших робіт «Про збереження сили» (1847) Гельмгольц, дотримуючись ідеї єдності природи, математично обґрунтував закон збереження енергії і положення про те, що живий організм є фізико-хімічним середовищем, у якому зазначений закон точно виконується.


Ене́ргія (від грец. енесгьт — діяльний) — це скалярна фізична величина, загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Поняття енергії пов'язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах.

Геотермальна енергія

Геотерма́льна енерге́тика - промислове отримання енергії, зокрема електроенергії, з гарячих джерел, термальних підземних вод.

Геотермальна електростанція Несьявеллір в Ісландії



Загальна характеристика

Кількість теплоти, що міститься в земній корі до глибини 10 км (без обліку температури поверхні), дорівнює приблизно 12,6-1026 Дж. Ці ресурси еквівалентні тепломісткості 4,6∙1016 т вугілля (приймаючи середню теплоту згоряння вугілля рівною 27,6·106 Дж/т), що більш ніж у 70 тис. раз перевищує тепломісткість усіх технічно і економічно використаних світових ресурсів вугілля. Однак геотермальна теплота у верхній частині земної кори (до глибини 10 км) занадто розсіяна, щоб на її базі вирішувати світові енергетичні проблеми. Ресурси, придатні для промислового використання, являють собою окремі родовища геотермальної енергії, сконцентрованої на доступній для розробки глибині, що мають визначені обсяги і температуру, достатні для використання їх з метою виробництва електричної чи теплової енергії.

З усіх видів геотермальної енергії мають найкращі економічні показники гідрогеотермальні ресурси – термальні води, пароводяні суміші і природна пара.

Гідрогеотермальні ресурси, які використовуються на сьогодні практично, складають лише 1% від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними в цьому відношенні варто вважати райони, в яких зростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати із тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а склад мінеральної частини термальних вод не створює додаткових труднощів по боротьбі із солевідкладеннями і кородуванням устаткування.

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод показує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів і ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, становлять 4% від загальних прогнозних запасів, тому їхнє використання в майбутньому варто пов’язувати з теплопостачанням і теплофікацією місцевих об’єктів.

Використання геотермальної енергії

Геотермальна електростанція в Valencia,  Філіпіни Одна із станцій в долині Великих Гейзерів

Геотермальна енергія з успіхом використовується в Росії, Грузії, Ісландії,США.

Перше місце по виробленню електроенергії з гарячих гідротермальних джерел займає США. У долині Великих Гейзерів (штат Каліфорнія)на площі 52 км² діє 15 установок, потужністю понад 900 МВт.

«Країна льодовиків», так називають Ісландію, ефективно використовує гідротермальну енергію своїх надр. Тут відомо понад 700 термальних джерел, які виходять на земну поверхню. Близько 60% населення користується геотермальними водами для обігріву житлових приміщень, а в найближчому майбутньому планується довести це число до 80%. При середній температурі води 87°С річне споживання енергії гарячої води становить 15 млн. ГДж, що рівноцінно економії 500 тис. т кам’яного вугілля на рік. Крім того, ісландські теплиці, в яких вирощують овочі, фрукти, квіти і навіть банани, споживають щорічно до 150 тис. м³ води, тобто понад 1,5 млн. Гдж теплової енергії.

Середній потік геотермальної енергії через земну поверхність становить приблизно 0,06 Вт/м² при температурному градієнті меншому ніж 30ᵒС /км². Однак є райони зі збільшеними градієнтами температури, де потоки складають приблизно 10-20 Вт/м², що дозволяє реалізовувати геотермальні станції (ГеоТЕС) тепловою потужністю 100 МВт/км² та тривалістю експлуатації до 20 років.

Якість геотермальної енергії невелика і краще її використовувати для опалення будівель та попереднього підігріву робочих тіл звичайних високотемпературних установок. Також використовують це тепло для ферм по розведенню риби та для теплиць. Якщо тепло з надр виходить при температурі більше 150 °C, то можна говорити про виробництво електроенергії. Побудовано ГеоТЕС на  Філіппінах потужністю більше 900 тис. кВт.

Масштаб використання геотермальної енергії визначають декілька факторів: капітальні витрати на спорудження свердловин, ціна яких зростає зі збільшенням глибини. Оптимальна глибина свердловин 5 км. Геотермальні води використовують двома способами: фонтанним (теплоносій викидається в навколишнє середовище) та циркуляційним (теплоносій закачується назад в продуктивну товщу). Перший спосіб дешевше, але екологічно небезпечний, другий дорожчий, але забезпечує збереження навколишнього середовища.

Можна здійснювати разом з добуванням тепла і добування хімічних елементів та сполук з розсолів, як на дослідному заводі в Дагестані, де добувають сполуки магнію,  літію та брому.

До категорії гідротермальних конвективних систем відносяться підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню із землі, утворюючи гейзери, фумароли, озера багнюки тощо. Їх використовують для виробництва електроенергії за допомогою методу, що ґрунтується на використанні пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої води на поверхні

(Угорський басейн, температура води — 100 °C).

Переваги і недоліки геотермальної енергії

Переваги:


  1. Геотермальну енергію отримують від джерел тепла з великими температурами.

  2. Вона має декілька особливостей:

  • температура теплоносія значно менша за температуру при спалюванні палива;

  • найкращий спосіб використання геотермальної енергії — комбінований (видобуток електроенергії та обігрів).

Недоліки:

  1. Низька термодинамічна якість.

  2. Необхідність використання тепла біля місця видобування.

  3. Вартість спорудження свердловин виростає зі збільшенням глибини.

Це джерело характеризується різноплановим впливом на природне середовище. Так в атмосферу надходить додаткова кількість розчинених у підземних водах сполук сірки, бору, миш’яку, аміаку, ртуті; викидається водяна пара, збільшуючи вологість; супроводжується акустичним ефектом; опускання земної поверхні; засолення земель.

Вітрова енергія

Вітроенерге́тика — галузь відновлюваної енергетики, яка спеціалізується на використанні кінетичної енергії вітру.

Історія використання вітру

Цей вид джерела енергії є непрямою формою сонячної енергії, і тому належить до відновлюваних джерел енергії. Використання енергії вітру є одним із найдавніших відомих способів використання енергії із навколишнього середовища, і було відоме ще в давні часи.


Світова прем'єра: 7.5 МВт турбін вітру Estinnes Бельгії липня 2010, зверніть увагу на унікальне з двох частин лопатей ротора.
11 х 7,5 МВт вітрових турбін Enercon E-126 Estinnes Бельгії 10 жовтня 2010, завершено.

Одним з найперших винаходів використання вітру було вітрило десь у п’ятому тисячолітті до н.е. У першому сторіччі до нашої ери давньогрецький вчений Герон Александрійський винайшов вітряк, що керував органом.

Вітряні млини для переробки зерна винайдені ще у середньовіччі. Вважається, що перші вітряки були збудовані в Сістані, десь між сучасним Іраном та Афганістаном, між дев’ятим та сьомим сторіччами до н.е. Вони мали вертикальну вісь, від шести до дванадцяти крил із полотна або очерету та використовувались як млини та помпи для води. Вітряки в Греції

Джерело вітроенергетики  - сонце, так як воно є відповідальним за утворення вітру. Атмосфера землі вбирає сонячну радіацію нерівномірно через неоднорідності її поверхні та різний кут падіння світла в різних широтах, в різну пору року. Повітря розширюється та підіймається догори, утворюючи потоки. Там, де повітря нагрівається більше, ці потоки підіймаються вище та зосереджуються у зонах низького тиску, а холодніше повітря підіймається нижче, створюючи зони високого тиску. Різниця атмосферного тиску змушує повітря пересуватися від зони високого тиску до зони низького тиску з пропорційною швидкістю. Цей рух повітря і є тим, що ми називаємо вітром.

Щоб найкраще використати вітряну енергію, важливо досконало розуміти добові та сезонні зміни вітру, зміну швидкості вітру

в залежності від висоти над поверхнею землі, кількість поривів вітру за короткі відрізки часу та також статистичні дані хоча б за останні 20 років.

Від загальної кількості енергії сонця 1-2 % перетворюється на енергію вітру. Ця кількість у п’ятеро перевищує річну світову енергетичну потребу. Сучасна технологія дозволяє використовувати тільки горизонтальні вітри, що розташовані близько до поверхні землі та мають швидкість від 12 до 65 км/год.

Добові зміни вітру.

В останні роки енергія вітру все ширше використовується для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужності і встановлюються на місцевості, де дмуть часті й сильні вітри. Кількість і якість таких двигунів зростає щорічно, налагоджене серійне виробництво.

У будівництві феномен вітру у давнину також застосовували для природньої вентиляції та охолодження повітря у сухих та жарких країнах Середньої Азії.

Німеччина є світовим лідером із використання енергії вітру. Тільки за перші 6 місяців 2001 року в ФРН було збудовано 673 нові вітрові електричні установки. Загальна кількість «вітряків» у Німеччині становить понад 10 тисяч, а їх загальна сукупна потужність досягла 6900 МВт. У Нижній Саксонії працює близько 2000 таких установок, які виробляють близько 8% електроенергії. Розроблено проект, згідно з яким у 2004-2005 роках почалося будівництво чотирьох промислових вітрових парків у Балтійському морі і десятьох – у Північному. Перші експериментальні станції з’явилися у морі на насипних островах у 2003 році. До 2010 року частка екологічно чистої енергії в енергетичному балансі Німеччини зросла до 10 відсотків. У Данії близько чверті електроенергії отримують на ВЕС.

Станом на кінець 2010 року, загальна потужність встановлених вітрових турбін у світі складала 94.1 гігават.  Не зважаючи на те, що отримана електрична енергія становить 2% від обсягу споживання електричної енергії у світі, приблизно 20% виробленої в Данії електричної енергії отримано від енергії вітру, 10% в Іспанії та Португалії,7% в Німеччині та Ірландії (дані за 2010 рік). У глобальному вимірі, виробництво електричної енергії на основі енергії вітру зросло в шість разів від 2000 до 2010 року.



Вітроенергетика в Україні

Процес розвитку української вітроенергетики розпочався у 1996 році, коли була запроектована Новоазовська ВЕС проектною потужністю 50 МВт. 1997 рік запрацювала Трускавецька ВЕС. У 2000 році в Україні працювало вже 134 турбіни та закладено близько 100 фундаментів під турбіни потужністю 100 кВт. У 1998-1999 роках стали до ладу три нові ВЕС.

Значне зростання будівництва вітроелектростанцій спостерігається з 2009 року, після запровадження Урядом України «Зеленого тарифу».

На 2013 рік в Україні діють десятки вітроелектростанцій (ВЕС), оснащених як імпортними так й власними вітроагрегатами.

На кінець 2012 року сумарна потужність вітроелектростанцій в Україні вже складала майже 263 МВт, які протягом 2012 року виробили 288,2 млн кВт-год електроенергії, що в 3,2 рази більше, ніж у попередньому році (89,5 млн кВт-год.).

Виробництво національних вітрогенераторів налагоджено на «Південмаші» у Дніпропетровську, де збудували турбіну потужністю 1,0 МВт, яка встановлена зокрема на Новоазовській ВЕС. На даний час будівництво вітротурбін також здійснює спільне україно-німецьке підприємство ТОВ «Фурлендер Віндтехнолоджі», яке володіє ліцензіями на виробництво турбін потужністю

2,5 МВт і в 2014 році розпочне виробництво однієї з найсучасніших вітроустановок світу зі встановленою потужністю в 3 МВт.

Дане підприємство виграло тендер на будівництво першої вітрової електростанції в Казахстані.



Встановлена пікова потужність

ВЕС України

Рік




МВт

2010




86 2

2011




121 3

2012




262 8

Розвиток вітроенергетики в країнах Європейського Союзу

Станом на кінець 2012 року вітроелектрогенерація в ЄС налічувала встановлених потужностей — 106,04 ГВт, всього в Європі— 109,6 ГВт. Дані потужності забезпечили майже 10% виробництва електроенергії Євросоюзу.  У таких державах як  ДаніяШотландія  вітрогенерація виробляє третину електроенергії в електробалансі держав.

Вітроенергетика Єврокомісією віднесена до одних із пріоритетних напрямів розвитку електрогенерації. Щорічне зростання потужностей становить 13,1%.
Потужності вітроелектростанцій ЄС


Рік

2008

2009

2010

2011

2012

Встановлені потужності, (ГВт)

64,7

75,1

84,3

94,4

106,4

Розвиток вітроенергетики в інших країнах

Сполучені Штати Америки

Вітроенергетика - галузь економіки,  яка бурхливо розвивається в США. У 2012 році 41,6% зі всіх новозбудованих потужностей електрогенерації, становили ВЕС. Ще 14,4% СЕС, ГЕС, Біогазові станції. Станом на перше півріччя 2013 року, у США діяла найпотужніша вітрова електростанція «Альта» — 1,320 ГВт. Загалом встановлені потужності ВЕС в 2012 році сягнули понад 60 ГВт, серед штатів найбільше вітроагрегатів зосереджено в Техасі (12,2 ГВт), Каліфорнії  

(5,5 ГВт), Айові (5,1 ГВт), Ілінойсі (3,6 ГВт). У 2012 році виробництво електроенергії ВЕС становило в 14 разів більше, ніж у 2002— 140 млрд квт-год. Майже стільки ж виробляє енергосистема такої держави як Польща.

Вітроенергетика в США

Рік

2000

2005

2008

2009

2010

2011

2012

Встановлені потужності, (ГВт)

2,5

9,15

25,4

34,7

40,18

46,9

60,0

Виробництво електроенергії,(млрд квт-г)

5,6

17,8

55,4

73,9

94,7

120,2

140,1

Китайська Народна Республіка

Вітроенергетика Китаю порівняно з ЄС та США розпочала розвиватись дещо пізніше, однак швидко надолужує втрачене. У 2012 році зайняла 35% світового ринку введених в експлуатацію ВЕС— 15,9 ГВт. Потужність ВЕС Китаю сягнула 75 ГВт,  випередивши США.



Гідротермальні системи

До категорії гідротермальних конвективних систем відносяться підземні басейни чи пари гарячої води, що виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, сірчисті грязьові озера і фумароли. Утворення таких систем пов’язане з наявністю джерела теплоти горячою чи розплавленою скельною породою, розташованої відносно близько до поверхні землі. Над цією зоною високотемпературної скельної породи знаходиться формація з проникної гірської породи, що містить воду, що піднімається нагору в результаті підняття її гарячою породою. Проникна порода, у свою чергу, зверху покрита непроникною скельною породою, що утворить «пастку» для перегрітої води.

Однак наявність у цій породі тріщин чи пор дозволяє гарячій воді чи пароводяній суміші підніматися до поверхні землі. Гідротермальні конвективні системи звичайно розміщуються по межах тектонічних плит земної кори, яким властива вулканічна активність. У принципі для виробництва електроенергії на родовищах із гарячою водою застосовують метод, заснований на використанні пари, що утворилася при випаровуванні гарячої рідини на поверхні. Цей метод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (що знаходиться під високим тиском) по шпарам із басейну до поверхні тиск падає і близько 20% рідини закипає і перетворюється на пару. Ця пара відокремлюється за допомогою сепаратора від води і направляється в турбіну. Вода, що виходить із сепаратора, може бути піддана подальшій обробці в залежності від її мінерального складу. Цю воду можна накачувати назад у скельні породи чи відразу, якщо це економічно виправдано, з попереднім витягом з неї мінералів. Прикладами геотермальних родовищ з гарячою водою є Уайракей і Бродлендс у Новій Зеландії, Серро-Приєто в Мексиці, Солтон-Сі в Каліфорнії, Отаке в Японії. Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо- чи середньо температурних геометральних вод є використання процесу з застосуванням двохконтурного (бінарного) циклу. У цьому процесі вода,отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (чи фреону ізобутану), що має низьку температуру кипіння. Пара, що утворилася в результаті кипіння цієї рідини, використовується для приводу турбіни.

Відпрацьована пара конденсується і знову пропускається через теплообмінник, створюючи тим самим замкнутий цикл. Такі установки мають одиничну потужність в межах 10-15 кВт і можуть бути використані для виробництва електроенергії в придатних для цього місцях, особливо у віддалених сільських районах.

До другого типу геотермальних ресурсів відносяться гарячі системи вулканічного походження. Одержання геотермальної енергії безпосередньо з магми поки технічно нездійсненне. Технологія, необхідна для використання енергії гарячих сухих порід, тільки починається розроблятися. Попередні технічні розробки методів використання цих енергетичних ресурсі передбачають пристрій замкнутого контуру з циркулюючої по ньому рідиною, що проходить через гарячу породу. Спочатку пробурюють шпару, що досягає області залягання гарячої породи; потім через неї в породу під великим тиском накачують холодну воду, що приводить до утворення в ній тріщин. Після цього через утворену в такий спосіб зону тріщинуватої породи пробурюють другу шпару. Нарешті, холодну воду з поверхні накачують у першу шпару. Проходячи через гарячу породу, вона нагрівається і виділяється через другу шпару у вигляді пари чи гарячої води, що потім використовується для виробництва електроенергії одним із розглянутих раніше способів. Система з високим тепловим потоком – геотермальні системи третього типу існують у тих районах, де в зоні з високими значеннями теплового потоку розташовується глибокозалягаючий осадовий басейн. У таких районах, як Паризький чи Угорський басейни, температура води, що надходить зі шпар, може досягати 100°С. Температура води, що находиться з геотермальних родовищ у зонах геотиску, може досягати 100-180°С, а тиск в усті шпари 28-56 МПа. Добове виробництво у розрахунку на одну шпару може складати кілька мільйонів кубічних метрів флюїду. Геотермальні басейни в зонах підвищеного геотиску знайдені в багатьох районах у ході нафтогазорозвідки, наприклад, у Північній і Південній Америці, на Далекому і Близькому Сході, в Африці і Європі. Можливість використання таких родовищ в енергетичних цілях поки що не продемонстрована.

Теплова енергія океанів

Океани покривають 70% поверхні Землі. Вони поглинають і зберігають теплоту, що надходить від сонця. Ця теплота спричиняє вітри, що дмуть над океаном і піднімають хвилі. Гравітаційні сили Сонця і Місяця викликають щоденні припливи і відпливи.

Рух морської води і накопичена в ній теплота є колосальними і невичерпними джерелами енергії. Потрібно лише створити механізми, які видобували б цю енергію і поставили її на службу людям.

Величезні кількості енергії можна отримати від морських хвиль.

Можливість перетворювати енергію хвиль в електроенергію доведено вже давно. Коли хвиля заввишки 1м і завдовшки 25м обрушується на берег, вона має потенціальну енергію близько 125 тис. Дж. Якщо цю енергію перетворити на електрику, то нею можна було б живити настільну електричну лампочку протягом години. Енергія хвиль, що вивільняється на 5-кілометровій довжині пляжу протягом години, становить 10 млрд джоулів (близько 2,5 МВт). Цієї енергії вистачило б для забезпечення електроенергією 500 будинків. В останні роки зацікавленість до хвильової енергетики різко зросла в Японії, Англії, країнах Скандинавії.

Сучасна тенденція розробки таких установок орієнтується на одиничні модулі помірної потужності (~1 МВт) розміром приблизно 50 м вздовж фронту хвилі. Переваги хвильової енергетики в тому, що вона достатньо сильно сконцентрована, доступна для перетворення і на будь-який проміжок часу може прогнозуватись у залежності від погодних умов. Утворюючись під дією вітру, хвилі добре зберігають свій енергетичний потенціал, розповсюджуючись на значні відстані.



Енергія припливів і відпливів

Припливні коливання рівня у велетенських океанах планети можна прогнозувати. Основні періоди цих коливань – добові (24 години) та напівдобові (12 годин 25 хвилин). Різниця рівнів між послідовними найвищими та найнижчими рівнями води – висота припливу. Діапазон зміни цієї величини складає 0,5-10 м. Під час припливів і відпливів рух водних мас утворює припливні течії, швидкість яких у прибережних протоках і між островами більше 5 м/с.

У припливах і відпливах, що змінюють один одного двічі на день, також зосереджена величезна енергія. Припливи - це результат гравітаційного притягання великих мас води океанів з боку Місяця і, у меншому ступені, Сонця. При обертанні Землі частина води океану піднімається і якийсь час утримується в цьому положенні гравітаційним притяганням. Коли «горб» підйому води досягає суші, як це повинно відбуватися внаслідок обертання Землі, настає приплив. Подальше обертання Землі послабляє вплив Місяця на цю частину океану, і приплив спадає. Припливи і відпливи повторюються двічі на добу, хоча їхній точний час змінюється в залежності від сезону і положення Місяця.

Середня висота припливу складає усього лише 0,5 м, за винятком тих випадків, коли водяні маси переміщаються у відносно вузьких межах. У таких випадках виникає хвиля, висота якої може в 10-20 разів перевищувати нормальну висоту припливного підйому. Щороку найбільш високі припливи бувають тоді, коли Місяць і Сонце знаходяться майже на одній лінії, так що сумарний гравітаційний вплив збільшує обсяг переміщуваної океанської води.

Робота припливної електростанції. На річці побудована гребля для затримки вод високого припливу. Коли припливні води відступають, затримана греблею вода випускається в океан через грушоподібні турбіни під греблею і виробляється електроенергія. Однак можна виробляти електроенергію як при відпливі, так і при припливі. Припливна хвиля затримується за греблею в результаті відкриття ряду донних затворів, що дозволяє їй рухатися нагору по річці в напрямку джерела. Затвори закривають тоді, коли приплив досягає найвищого рівня, а потім, по мірі відпливу, воді, замкненої за греблею, дозволяють стікати до моря через турбіни. При низькому рівні води, тобто при відпливі, велика частина цієї води спускається. Коли припливні води знову настають, вони зупиняються перед закритими затворами, і рівень води з боку моря перевищує їх рівень на стороні греблі, зверненої до суші. Після того як буде досягнутий достатній напір, воді дозволяють текти нагору по річці, проходячи через турбіни, і знову виробляти електрику. Таким чином, енергія виробляється за рахунок відпливу, і за рахунок припливу.
На деяких станціях застосовується чудова технологія. В останній фазі припливу різниця в рівнях води у резервуарі за греблею й в океані може складати яких-небудь два метри. У цей час електроенергія з якого-небудь іншого джерела може бути використана для перекачування океанської води (за допомогою турбін) у припливний басейн. Вода накачується на висоту лише декількох десятків сантиметрів, тому не потрібно багато енергії. Коли приливна хвиля відступила, ця додаткова вода падає з висоти 6-10 м, виробляючи набагато більше електроенергії, ніж її було витрачено. Та ж ідея реалізується при відпливі, але тільки в цьому випадку вода відкачується з припливного басейну в океан. При цьому рівень води в басейні падає нижче рівня води в океані і припливна вода, що надходить, проходить велику дистанцію.

Через величезну вартість цих споруджень уряди не налаштовані вкладати кошти в припливну енергію. Такі станції коштують у 2,5 рази більше цінової вартості річкової гідростанції з таким же середнім виробленням енергії, насамперед через додаткову вартість захисних перемичок перед і за об'єктом. Але як тільки первісні інвестиції зроблені, вироблення енергії вже не вимагає ніякого палива. Необхідно тільки технічне обслуговування системи, і тому вартість енергії залишається низькою.

Місця, де припливи могли б бути використані для вироблення електроенергії, є в усьому світі. Крім вартості спорудження станції, у припливної енергії є й інші негативні сторони. Якщо припливна станція знаходиться далеко від найближчого великого центра використання енергії, будуть потрібні довгі і дорогі лінії електропередачі. З іншого боку, така передача на великі відстані стає усе більш звичайною в міру створення нових і більш ефективних ліній.

І нарешті, варто згадати ще одну негативну рису припливної енергії - те, що її вироблення непостійне. Це легко зрозуміти, якщо на хвилину задуматися про її природу. При звичайній експлуатації припливної енергії електрика виробляється тільки на початку відпливу, тобто тоді, коли рівень води, яка булла в басейні, у достатній мірі перевищує її рівень у морі. У міру зниження рівня води в басейні вироблення електроенергії зменшується і біля нижньої точки відливу падає до нуля, оскільки різниця рівнів зникає. Якщо припливна станція обладнана реверсивними турбінами, то енергія може вироблятися і за рахунок наступаючого припливу, але тільки після того, як рівень припливу перевищить у достатній мері рівень води за греблею. Коли приплив досягає максимальної висоти, вироблення енергії знову наближається до нуля. Таким чином, крива вироблення енергії піднімається і падає двічі на добу відповідно до двох припливних циклів.

Це циклічне виробництво енергії навряд чи буде відповідати добовим потребам у ній. Пікова потреба і пікове вироблення можуть іноді збігатися, внаслідок щогодинних припливів відбувається зрушення в залежності від зміни пори року, але найчастіше такого збігу не буде. Тому надходження енергії в мережу повинне якимось чином регулюватися. Це означає, що вироблення енергії іншими, центральними, станціями повинно звичайно знижуватися, коли темп припливного вироблення досягає максимуму, і зростати, коли він падає. Фактично енергія від припливної електростанції досить регулярно заміщає енергію, вироблену за допомогою інших засобів. Якщо заміщається енергія, вироблена станцією на вугільному паливі, то заощаджується вугілля.

Перетворення енергії припливів використовується для створення малопотужних припливних електростанцій (ПЕС). Найбільш відомі великомасштабна ПЕС Ранс потужністю 240 МВт, та дослідна станція потужністю 400 КВт в Кислій Губі на узбережжі Баренцевого моря (Росія).

Висота, хід і періодичність припливів у більшості прибережних районів добре описані та проаналізовані. Поведінка припливів може бути попереджена з похибкою менше 4%. Таким чином, припливна енергія здається дуже надійною формою відновлюваної енергії .

Енергія хвиль та припливів і відпливів знайшла використання в припливних електростанціях деяких країн:

Канада: Камберленд – потужність 1,4 ГВт, Кобекуїд – потужність 4,5 ГВт.

Англія: Северн – потужність 8,45 ГВт, Мерсей – потужність 0,7 ГВт.

Росія: Тугур – потужність 6,8 ГВт.

Корея: Гаролім – потужність 0,8 ГВт.

• Ведеться проектування ПЕС в Австралії, Індії, Китаї.

ПЕС побудовані і вже 10-25 років успішно працюють на 3-х континентах: промислова Ранс потужністю 240 МВт (Франція), дослідні – Кислогубська потужністю 0,4 МВт (Росія), Цзянсян потужністю 3,2 МВт (Китай) та Аннаполіс потужністю 20 МВт (Канада).

Уся потужність океанських припливів на планеті оцінюється в 3000 ГВт. Із них приблизно 1000ГВт розсіюються в мілководних прибережних районах, де принципово можливе зведення інженерних споруд. Загальна кількість припливної енергії в світовому океані – 3,9·1019 кДж .

Сумарний потенціал місць із найбільшим припливним потенціалом та можливого будівництва ПЕС дорівнює 120 ГВт, це 10% загального світового гідравлічного потенціалу річок.

Припливна електростанція являє собою гідроенергетичний комплекс, що застосовується для перетворення енергії і пов’язаний із роботою окремих галузей народного господарства.

ПЕС відносяться до низьконапірних гідроенергетичних пристроїв (напір не більше 20 м). Це визначає тип використаного на них турбінного обладнання – горизонтальні капсульні обертально-лопасні агрегати.

Ефективність роботи ПЕС може бути підвищена шляхом встановлення на ній системи потужних насосів, періодичною роботою яких можна досягти прискорення заповнення чи спустошення внутрішнього басейну, а також додаткового підйому його рівня при заповненні на припливі. Якщо ПЕС побудована для забезпечення локальних потреб в енергії, то необхідні страхувальні енергопристрої, що підключаються в період згасання припливів.

Недоліки при перетворенні енергії на ПЕС:

· неспівпадання основних періодів виникнення припливів, пов’язаних із рухом Місяця, із звичайним для людини періодом сонячної доби;

· зміна висоти припливу та потужності припливної течії з періодом у 2 тижні, що призводить до коливання виробітку енергії;

· необхідність створення потоків води з великою витратою при порівняно малому перепаді висот, що змушує використовувати велику кількість турбін, які

працюють паралельно;

· великі капітальні витрати на спорудження ПЕС;

· потенційні екологічні порушення .

У результаті хвильового руху рідини в хвилі одночасно зі зміною положення рівня і нахилу поверхні відбувається зміна кінетичної і потенційної енергії, зміна тиску під хвилею. На основі використання характерної ознаки хвильового руху чи їх комбінації вже створено багато пристроїв, які поглинають та перетворюють хвильову енергію.

Світовий океан – величезний природний колектор сонячного випромінювання. У ньому між теплими поверхневими водами, які поглинають сонячне випромінювання, та більш холодними придонними, різниця температур становить до 20-25°С. Це забезпечує запас теплової енергії, що безперевно поповнюється і яка принципово може бути перетворена в інші види. Термін

перетворення теплової енергії океану ОТЕС – ocean termal energy conversіon – означає перетворення деякої частини цієї теплової енергії в роботу і далі в електричну енергію.

Переваги:

· стабільність і незалежність від примх природи;

· створення економічно виправданих споруд потребує лише деякої доробки таких широко відомих пристроїв, як теплообмінники та турбіни.

Недоліки:

· вартість та масштаби установок.



Енергія морських течій

Енергія океану включає енергію течій на всій акваторії світового океану, енергію припливів, хвиль, змішування прісної і солоної морської води, енергію градієнтів (різниць) температур між поверхневими і глибинними шарами води в тропічних районах океану тощо. Технічна реалізація використання джерел можлива за таких умов:

• освоєння тільки найбільш потужних течій;

• наявність припливів зі збільшеною амплітудою;

• наявність енергії хвиль, достатньої для використання;

• наявність ділянок океану зі значною різницею солоності між річковим стоком і морською водою з температурним перепадом у 20°С, щоб ефективно здійснити цикл Карно.

Вплив ОТЕС на навколишнє середовище зводиться до гідродинамічного і теплового навантаження прилеглих районів океану. Можливе виділення СО² з холодних глибинних вод, що підіймаються на поверхню, внаслідок зменшення їх тиску і збільшення температури. Найбільш потужним первинним впливом станції на океан є вплив великої кількості холодної води – більше 10 тис. м³/рік на кожний Мват потужності. За оцінкою кліматологів, підвищення середньої глобальної температури, обумовлене викидами антропогенного тепла, у перспективі складає 0,7 - 0,9°С, а в подальшому – 1,5 -1,8°С. Застосування ОТЕС впливає на температуру нижніх шарів атмосфери в протилежний бік. Для електростанції будь-якого виду вартість виробленої за весь термін служби електроенергії повинна перевищувати затрати енергії на її спорудження. Цей показник називається коефіцієнтом енерговіддачі. Для вітрових, сонячних ОТЕС він дорівнює 10 - 20%.

Отже, використання енергії океану для отримання електроенергії за допомогою припливних, хвильових та інших станцій навряд чи зможе справити помітний негативний вплив на режим вод і берегової смуги, окрім того, вони дадуть позитивний, хоча й локальний ефект зниження механічного (ударного) впливу океану на берегову смугу, а також ослаблять тенденцію до підвищення температури в приземному шарі атмосфери.

Різноманітність форм життя в морі створює проблему біообростання. Це ж підказує можливість розведення риби на фермах при ОТЕС. Морська вода з глибин багата на нітрати, що можна розподілити навколо станції. Це дозволить інтенсифікувати ріст водоростей, що, в свою чергу, привертало б інших морських мешканців із більш високих за рівнем харчових ланцюжків. За рахунок цього можна створити основу для комерційного розведення риби. Однак, біологічний

ефект від підйому величезних кількостей холодної, збагаченої біогенами води в теплі, ще не досить вивчений.

За приблизними оцінками, загальна енергетична потужність хвиль Світового океану - 900 млрд кВт. Великий енергетичний потенціал течій помітний спостерігачу за динамікою океанічних вод у цілому: приведення в стан руху надзвичайно великих мас води на відстані у тисячі кілометрів у досить щільному середовищі Велика кількість енергії переходить у кінетичну і потрапляє в атмосферу.

Невичерпні запаси кінетичної енергії морських течій можна перетворювати на механічну і електричну енергію за допомогою турбін, занурених у воду (подібно до вітряних млинів, «занурених» в атмосферу). У ряді країн, і в першу чергу у Великобританії, ведуться інтенсивні роботи з використання енергії морських течій. Британські острови мають досить розчленовану берегову лінію, де в багатьох місцях близько до берега підступають потужні потоки морських течій. Один з проектів використання морських течій заснований на принципі рухомого водяного потоку. У гігантських «коробах» без стін і з отворами по горизонталі під впливом течій зміщуються окремі частини установки. Стовп води діє як поршень, що засмоктує повітря і нагнітає його на лопатки турбін. Головна складність полягає в узгодженні інерції робочих коліс турбін із кількістю повітря в коробах, так щоб за рахунок інерції зберігалася постійна швидкість обертання турбінних валів у широкому діапазоні умов на поверхні.



Види променевої енергії

Енергія сонця

Мапа сонячного випромінювання на поверхні Землі

Мапа сонячного випромінювання - Європа

Сонячна енергія — енергія від Сонця в формі радіації та світла. Ця енергія значною мірою керує кліматом і погодою та є основою життя. Технологія, що не контролює сонячну енергію називається сонячною енергетикою.

На верхні шари атмосфери Землі постійно поступає 174 PW сонячної радіації (інсоляції). Близько 6% інсоляції відбивається атмосферою, 16% поглинається нею. Середні шари атмосфери в залежності від погодних умов (хмари, пил, атмосферні забруднення) віддзеркалюють до 20% інсоляції та поглинають 3%.

Атмосфера не тільки зменшує кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, але і дифузує близько 20% із того що поступає, та фільтрує частину його спектру. Після проходження атмосфери близько половини інсоляції знаходиться у видимій частині спектру. Друга половина знаходиться переважно в інфрачервоній частині спектру. Тільки незначна частина цієї інсоляції припадає на ультрафіолетове випромінювання.

Сонячна енергія є джерелом енергії вітру, води, тепла морів, біомаси, а також причиною утворення протягом тисячоліть торфу, бурого і кам’яного вугілля, нафти і природного газу, однак ця енергія опосередкована і накопичена протягом тисяч і мільйонів років. Енергія Сонця може бути використана і безпосередньо, як джерело електроенергії і тепла. Для цього потрібно створити пристрої, які концентрують енергію Сонця на малих площах і в малих об’ємах. У цей час працюють нагрівальні пристрої, які акумулюють енергію Сонця, а також дослідні зразки електродвигунів і автомобілів, які використовують енергію Сонця.

Усього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а за 1с -170 млрд. Дж. Велику частину цієї енергії розсіює чи поглинає атмосфера, особливо хмари, і тільки третина її досягає земної поверхні. Вся енергія, що випромінюється Сонцем, більша тієї її частини, що одержує Земля, у 5000000000 разів. Але навіть така «незначна» величина в 1600 разів більша енергії, що дають усі інші джерела, разом узяті. Сонячна енергія, що падає на поверхню одного озера, еквівалентна потужності великої електростанції.

Відповідно до легенди, Архімед, знаходячись на березі, знищив ворожий римський флот під Сіракузами. Як? За допомогою запальних дзеркал. Відомо, що подібні дзеркала робилися також у VІ столітті. А в середині ХVІІІ століття французький натураліст Ж. Бюффон робив досвіди з великим увігнутим дзеркалом, що складається з безліч маленьких плоских. Вони були рухливими і фокусували в одну точку, відбиті сонячними променями. Цей апарат був здатний у ясний літінй день із відстані 68м досить швидко запалити просочене смолою дерево. Пізніше у Франції було виготовлено увігнуте дзеркало діаметром 1,3 м, у фокусі якого можна було за 16 секунд розплавити чавунний стрижень. В Англії ж відшліфували велике двоопукле скло, із його допомогою вдалося розплавляти чавун за три секунди і граніт – за хвилину. Наприкінці ХІ століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О. Мушко демонстрував інсолятор – у сутності перший пристрій, що перетворював сонячну енергію в механічну.

Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо дві можливості: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) чи ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм у сонячних елементах. Реалізація обох можливостей поки що знаходиться в стадії зародження. У значно ширших масштабах сонячну енергію використовують після її концентрації за допомогою дзеркал – для плавлення речовин, дистиляції води, нагрівання, опалення і т. д. Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена на великій площі (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) із достатньою поверхнею.

Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його вслід за Сонцем занадто важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, установлюють під визначеним оптимальним кутом до півдня. Складнішим і дорогим колектором є увігнуте дзеркало, що зосереджує падаюче випромінювання в малому обсязі біля визначеної геометричної точки – фокуса. Відбиваюча поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної основи. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця – це дозволяє збирати якомога більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000°С і вище. Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріалоємних видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричинює гігантське збільшення потреби в матеріалах, а отже, і в трудових ресурсах для видобутку сировини, його збагачення, одержання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їхнього перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт/ рік електричної енергії за допомогою сонячної енергетики буде потрібно затратити від 10 000 до 40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник складає 200-500 людино-годин.

Поки що електрична енергія, породжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Учені сподіваються, що експерименти, проведені на дослідних установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми. Але станції-перетворювачі сонячної енергії завжди були і будуть працювати. Із 1988 року на Керченському півострові працює Кримська сонячна електростанція. Здається, саме здоровим глуздом визначене її місце. Якщо де і будувати такі станції, так це в курортних зонах, на території санаторіїв і будинків відпочинку; у краї, де треба багато енергії, але ще важливіше зберегти в чистоті навколишнє середовище, благополуччя якої, і ,насамперед, чистота повітря є цілющою для людини. Кримська СЕС – невелика, її потужність - усього 5 МВт. У деякому значенні вона – проба сил. Хоча, здавалося б, чого ще треба пробувати, коли відомий досвід будівництва геліостанцій в інших країнах.

На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках. Але, наприклад, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт-год (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС) з ККД 10% потребувала б ефективної поверхні близько 500000 м². Ясно, що така величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може окупитися тільки тоді, коли їхнє виробництво буде дійсно дешеве. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала через нестійкі атмосферні умови, слабкість інтенсивності сонячної радіації, бо тут навіть у сонячні дні багато енергії поглинає атмосфера, а також через коливання, зумовлені чергуванням дня і ночі. Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних мереж у не- електрифікованих районах чи для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і запальнички і т.п.). Напівпровідникові сонячні батареї вперше були встановлені на третьому радянському штучному супутнику Земля (запущеному на орбіту 15 травня 1958 р).

Йде робота, йдуть оцінки. Поки що вони, треба визнати, не на користь сонячних електростанцій: сьогодні ці спорудження усе ще відносять до найскладніших і найдорожчих технічних методів використання геліоенергії. Потрібні нові варіанти, нові ідеї. Недоліку в них немає. Із реалізацією гірше.

Але на сьогодні коефіцієнт корисної дії сонячних батарей вже досягає 25%. Налагоджено виробництво сонячних батарей у вигляді довгої полікристалічної кремнієвої стрічки, які мають ККД понад 10%.


  1   2   3


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка