Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.

Пермский Государственный Университет

Философско-социологический факультет

Альтернативные источники энергии

и возможности их применения в России

Кафедра социологии и

политологии

Студент: Уваров П.А.

Группа: СЦГ-2 курс

Пермь, 2009

Введение

1 Понятие и основные виды альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

1.2 Энергия солнца

1.3 Энергия ветра

1.4 Энергия воды

1.5 Энергия волн

1.6 Энергия течений

2. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Заключение

Список используемых источников

Введение

Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря – о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня – гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы – технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и – уже в середине ХХ столетия – атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады ГЭС, – резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.

Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», – виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

1. О сновные виды Альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

Геотермальная энергия – в дословном переводе значит: земли тепловая энергия. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру.

Если учесть ещё и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой, несомненно, самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы.

В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы (островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы).

Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.

Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. «Стоимость топлива» такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых (то есть, с температурой гораздо выше 100 o С) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара.

Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т усл. топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т усл. топлива. Использование только около 0,2 % этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.

Геотермальная энергия по времени использования — наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминировали США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала. Италия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии приходится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1%.

В России перспективными в этом смысле районами являются Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, на Курилах — станция на о. Кунашир. Такие станции могут быть конкурентоспособны лишь в районах с высокой отпускной ценой на электроэнергию, а на Камчатке и Курилах она очень высока в силу дальности перевозок топлива и отсутствия железных дорог.

1.2 Энергия солнца

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5 % этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. На Сев. Технический потенциал солнечной энергии в России (2,3 млрд. т усл. топлива в год) приблизительно в 2 раза выше сегодняшнего потребления топлива.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.), имеет солнечная энергия. Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии на 2005 г определен в очень малом объеме – 17-21 млн.т у.т. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование-дело отдаленного будущего (после 2020г). В данной работе я покажу, что это не так и что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время.

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн.лет. Гигантские темпы потребления не возобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь в займы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене. Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов.

При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0.024% территории.

Наиболее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температура пара 371 гр.С, давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч, суммарная мощность в США 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт. СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час.-0,066 долл. и с 12 до 18 час.- 0,353 долл.. КПД СЭС может быть увеличен до 23% – среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла.

Основным технологическим достижением этого проекта является создание Германской фирмой Flachglass Solartechnik GMBH технологии производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81% и ресурсом работы 30 лет. При наличии такой технологии зеркал в России целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.

Принципиально новые типы солнечных концентратов, использующие технологию голографии, предложены ВИЭСХом.

Его главные характеристики – сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа и возможность использования в качестве приемника как традиционных паронагревателей, так и солнечных элементов на основе кремния.

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 долл/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 долл/кВт.ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки – дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

1.3 Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

1.4 Энергия воды

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м.

Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

1.5. Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, морекультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.

Волновая энергетическая установка «Каймей» (»Морской свет») – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.

А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

Проект, известный под названием «утка Солтера», представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок (»утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

1.6 Энергия течений

Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м 2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа «Кориолис» предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины- алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

2 Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Доля традиционной топливной энергетики в мировом энергобалансе будет непрерывно сокращаться, а на смену придет нетрадиционная — альтернативная энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии. И от того, с какими темпами это произойдет в конкретной стране, зависит не только ее экономическое благополучие, но и ее независимость, ее национальная безопасность.

Ситуация с возобновимыми источниками энергии в России, как и почти со всем у нас в стране, может быть названа уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии — 2300млрдТУТ (тонн условного топлива); ветра — 26,7млрдТУТ, биомассы — 10млрдТУТ; тепла Земли — 40000млрдТУТ; малых рек — 360млрдТУТ; морей и океанов — 30млрдТУТ. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России (1,2млрдТУТ в год). Однако используются из всего этого немыслимого изобилия даже не сказать что крохи — микроскопические количества. Как и в мире в целом, в России наиболее развита среди возобновляемых видов энергетики ветроэнергетика. Еще в 1930-хгг. в нашей стране серийно выпускалось несколько видов ветроустановок мощностью 3-4кВт, однако в 1960-егг. их выпуск был прекращен. В последние годы СССР правительство вновь обратило внимание на эту область, однако не успело реализовать своих планов. Тем не менее, с 1980 по 2006гг. Россией наработан большой научно-технический задел (но отставание в вопросах практического использования возобновимых источников энергии у России серьезное). Сегодня общая мощность действующих, сооружаемых и планируемых к вводу в России ВЭУ и ВЭС составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветроагрегатов, изготавливаемых российскими предприятиями, лежит в диапазоне от 0,04 до 1000,0 кВт . В качестве примера приведем нескольких разработчиков и производителей ВЭУ и ВЭС. В Москве ООО «СКТБ «Искра» производит ветроэлектрические станции М-250 мощностью 250Вт. В Дубне Московской области предприятие Гос.МКБ «Радуга» производит легко устанавливаемые ВЭС в 750Вт, 1кВт и 8кВт; Санкт-Петербургский НИИ «Электроприбор» выпускает ВЭУ до 500 Вт.

В Киеве с 1999г. научно-производственная группа WindElectric производит ветроэлектростанции бытового назначения WE-1000 мощностью 1 кВт. Специалистами группы разработана уникальная многолопастная, универсально-скоростная и абсолютно бесшумная турбина небольших размеров, эффективно использующая любой воздушный поток.

Хабаровская «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» производит ВЭС мощностью от 0,25 до 10кВт, последние могут объединяться в системы мощностью до 100кВт. С 1993г. этим предприятием разработано и произведено 640 ВЭС. Большинство установлено в Сибири, на Дальнем Востоке, Камчатке, Чукотке. Срок эксплуатации ВЭС достигает 20 лет в любых климатических зонах. Компания поставляет также солнечные батареи, которые работают совместно с ВЭС (мощность таких ветросолнечных установок составляет от 50Вт до 100 кВт).

В отношении ресурсов ветровой энергии в России наиболее перспективны такие районы, как Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей. Высокие среднегодовые скорости ветра, малая обеспеченность централизованными электросетями и обилие неиспользуемых в хозяйстве площадей делает эти местности практически идеальными для развития ветровой энергетики. Похожая ситуация с солнечной энергетикой. Солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Имеются интересные отечественные разработки в этой области, но нет никакой поддержки их со стороны государства и, следовательно, нет рынка фотоэнергетики. Однако объем выпуска солнечных батарей исчисляется мегаваттами. В 2006г. было произведено около 400 МВт. Имеется тенденция к некоторому росту. Впрочем, больший интерес к продукции различных научно-производственных объединений, выпускающих фотоэлементы, проявляют покупатели из-за рубежа, для россиян они все еще дороги; в частности, потому что сырье для производства кристаллических пленочных элементов приходится ввозить из-за рубежа (в советское время заводы по производству кремния находились в Киргизии и Украине) Наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России — это Северный Кавказ, Ставропольский и Краснодарский края, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Наибольшие достижения по использованию солнечной энергии отмечены в области создания систем теплоснабжения с применением плоских солнечных коллекторов. Первое место в России во внедрении таких систем занимает Краснодарский край, где за последние годы в соответствии с действующей краевой программой энергосбережения сооружено около сотни крупных солнечных систем горячего водоснабжения и множество мелких установок индивидуального пользования. Наибольшее развитие солнечные установки для обогрева помещений получили в Краснодарском крае и Республике Бурятия. В Бурятии солнечными коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты – больницы, школы, завод «Электромашина» и т.д., а также частные жилые здания. Сравнительно повышенное внимание уделяется развитию геотермальных электростанций, более, видимо, привычных нашим энергетическим распорядителям и достигающих больших мощностей, а потому лучше укладывающихся в привычную концепцию энергетического гигантизма. Специалисты считают, что запасы геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах могут обеспечить электростанции мощностью до 1000МВт.

Ещё в 1967г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5МВт. Она была пятой ГеоТЭС в мире. В 1967г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС — первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строится Мутновская ГеоТЭС мощностью 200МВт с использованием отечественного оборудования, изготовленного Калужским турбинным заводом. Этот завод приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро – и теплоснабжения. С использованием таких блоков Камчатка и Сахалин могут быть практически полностью обеспечены электроэнергией и теплом от геотермальных источников. Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются в Ставропольском и Краснодарском краях. Сегодня там вклад систем геотермального теплоснабжения составляет 3млн.Гкал/год.

По мнению специалистов, при несметных запасах этого вида энергии не решен вопрос о рациональном, рентабельном и экологически безвредном использовании геотермальных ресурсов, что мешает наладить их индустриальное освоение. Например, добываемые геотермальные воды используются варварскими методами: неочищенную отработанную воду, содержащую ряд опасных веществ (ртуть, мышьяк, фенолы, серу и т.п.) сбрасывают в окружающие водоемы, нанося непоправимый вред природе. К тому же, все трубопроводы геотермальных систем отопления быстро выходят из строя из-за высокой минерализации геотермальных вод. Поэтому требуется коренной пересмотр технологии использования геотермальной энергии.

Сейчас ведущим предприятием по изготовлению геотермальных электрических станций в России является Калужский турбинный завод и АО «Наука», которые разработали и производят модульные геотермальные электростанции мощностью от 0,5 до 25 МВт. Разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900тыс. ТУТ. На Кубани эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод. За 1999-2000гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9млнм3, что позволило сэкономить до 65тыс.ТУТ. Предприятием «Турбокон», созданным при Калужском турбинном заводе, разработана чрезвычайно перспективная технология, позволяющая получать электроэнергию из горячей воды, испаряющейся под давлением и вращающей турбину, оснащенную вместо привычных лопастей специальными воронками — так называемыми соплами Лаваля. Польза от таких установок, получивших название гидропаровых турбин, как минимум двойная. Во-первых, они позволяют полнее использовать геотермальную энергию. Обычно для получения энергии используется только геотермальный пар или растворенные в геотермальной воде горючие газы, тогда как с помощью гидропаровой турбины для получения энергии можно использовать и непосредственно горячую воду. Другой возможный вариант применения новой турбины — получение электроэнергии в городских теплосетях, из воды, возвращающейся от потребителей тепла. Сейчас тепло этой воды пропадает впустую, тогда, как оно могло бы обеспечивать котельные независимым источником электричества.

Тепло недр Земли способно не только выбрасывать в воздух фонтаны гейзеров, но и согревать жилища и вырабатывать электроэнергию. Большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область. Высокопотенциальное термальное тепло (пароводная смесь свыше 100 градусов по Цельсию) позволяет производить электроэнергию напрямую.

Обычно пароводяная термальная смесь извлекается из скважин, пробуренных на глубину 2-5 км. Каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4-8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км 2 . При этом по экологическим соображениям необходимо иметь и скважины для закачки в пласт отработанных геотермальных вод.

В настоящее время на Камчатке действуют 3 геотермальных электростанции: Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС и Мутновская ГеоЭС. Суммарная мощность этих геотермальных электростанций составляет более 70 МВт. Это позволяет на 25% обеспечить потребности региона в электроэнергии и ослабить зависимость от поставок дорогостоящего привозного мазута.

В Сахалинской области на о. Кунашир введены первый агрегат мощностью 1,8 МВт Менделеевской ГеоТЭС и геотермальная тепловая станция ГТС-700 мощностью 17 Гкал/ч. Большая часть низкопотенциальной геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составляет свыше 70 га. В Москве построен и успешно эксплуатируется экспериментальный многоэтажный дом, в котором горячая вода для бытовых нужд нагревается за счет низкопотенциального тепла Земли.

Наконец, следует также упомянуть малые гидроэлектростанции. С ними дело обстоит относительно благополучно в плане конструкторских разработок: оборудование для малых ГЭС выпускается или готово к выпуску на многих предприятиях энергомашиностроительной промышленности, с гидротурбинами различной конструкции — осевыми, радиально-осевыми, пропеллерными, диагональными, ковшовыми. При этом стоимость оборудования, изготовленного на отечественных предприятиях, остается значительно ниже мирового уровня цен. На Кубани ведется строительство двух малых ГЭС (МГЭС) на р. Бешенка в районе п.Красная Поляна г.Сочи и сбросе циркуляционной системы технического водоснабжения Краснодарской ТЭЦ. Запланировано строительство МГЭС на сбросе Краснодарского водохранилища мощностью 50 МВт. Начата работа по восстановлению системы малых ГЭС в Ленинградской области. В 1970-е гг. там, в результате проведения кампании по укрупнению электроснабжения области, прекратили работу более 40 таких станций. Плоды недальновидной гигантомании приходится исправлять сейчас, когда необходимость в малых источниках энергии стала очевидной.

Заключение

Нужно отметить, что в России ещё нет таких законов, которые бы регулировали альтернативную энергетику и стимулировали ее развитие. Равно как и нет структуры, которая бы защищала интересы альтернативной энергетики. Как, например, атомной энергетикой отдельно занимается Минатом. Запланирован доклад правительству об обосновании необходимости и разработке концепции проекта федерального закона «О развитии возобновляемых источников энергии». За подготовку этого доклада отвечают целых четыре министерства: Минэнерго, Минэкономразвития, Минпромнауки и Минюст. Когда они договорятся, неведомо.

Чтобы отрасль развивалась быстро и полноценно, закон должен предусматривать налоговые льготы предприятиям, производящим оборудование для получения энергии возобновляемых источников (например, снижение ставки НДС хотя бы до 10%). Важны также вопросы сертификации и лицензирования (прежде всего в том, что касается оборудования), потому что приоритет возобновляемой энергии также должен соответствовать требованиям качества.

Развитие альтернативных способов получения энергии тормозят производители и добытчики традиционных источников энергии: у них сильные позиции во власти и есть возможность отстаивать свои интересы. Альтернативная энергия до сих пор довольно дорога по сравнению с традиционной, потому что практически у всех предприятий-производителей установки выходят опытными партиями в очень небольших количествах и соответственно являются очень дорогими. Организация серийного производства и проведение сертификации установок требуют значительных инвестиций, которые полностью отсутствуют. Удешевлению стоимости могла бы способствовать господдержка. Однако же это противоречит интересам тех, чей бизнес основан на добыче традиционного углеводородного топлива. Лишняя конкуренция никому не нужна.

В результате преимущественному использованию возобновляемых источников и развитию альтернативной энергетики отдается предпочтение в основном в тех регионах, где это является наиболее очевидным решением сложившихся энергетических проблем. Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе в тех регионах, где отсутствует централизованное электроснабжение – побережье Северного Ледовитого океана, Якутия, Камчатка, Чукотка, Сахалин, но даже в этих районах энергетические проблемы таким образом решать почти не пытаются.

О дальнейшем развитии альтернативной энергетики говорится в «Энергетической стратегии России на период до 2020 года». Цифры, которых должна достичь наша альтернативная энергетика, очень низки, задачи минимальны, поэтому перелома в российской энергетике ждать не приходится. За счет альтернативной энергетики к 2020 году планируется экономить меньше 1% всех топливных ресурсов. Приоритетом своей «энергетической стратегии» Россия выбирает атомную промышленность как «важнейшую часть энергетики страны».

В последнее время были предприняты некоторые шаги в сторону развития альтернативной возобновляемой энергетики. Минэнерго начало переговоры с французами о перспективах сотрудничества в области альтернативной энергетики. В целом же можно отметить, что состояние и перспективы развития альтернативной энергетики на ближайшие 10-15 лет в целом представляются плачевными.

Список используемых источников

1. Копылов В.А. География промышленности России и стран СНГ. Учебное пособие. – М.: Маркетинг, 2001 – 184 с.

2. Видяпин М.В., Степанов М.В. Экономическая география России. – М.: Инфра – М., 2002 – 533 с.

3. Морозова Т.Г. Экономическая география России – 2 -е изд., ред.- М.: ЮНИТИ, 2002 – 471 с.

4. Арустамов Э.А. Левакова И.В.Баркалова Н.В. Экологические основы природопользования. М. Изд. «Дашков и К». 2002.

5. В. Володин, П. Хазановский Энергия, век двадцать первый.-М 1998

6. А. Голдин «Океаны энергии». М: ЮНИТИ 2000

7. Попов В. Биосфера и проблемы ее охраны. Казань. 1981.

8. Рахилин В. общество и живая природа. М. Наука. 1989.

9. Лаврус В.С. Источники энергии К: НиТ, 1997

10. Э.Берман. Геотермальная энергия – Москва: Мир,1978г.

11. Л. С. Юдасин. Энергетика: проблемы и надежды. М: ЮНИТИ. 1999.

Человечество на протяжении практически всего своего существования находится в постоянном поиске новых источников получения энергии. В настоящее время для получения необходимого количество электрической энергии применяются не возобновляемые источники, которые представляют собой природные ископаемые, такие как уголь, нефть или природный газ.

Применение этих видов топлива способно обеспечить человека необходимым количеством энергии, но в последнее время становится все более актуальным вопрос поиска нового вида топливных ресурсов, в качестве которого могут выступать . Эта проблема является насущной, поскольку по прогнозам большинства ученых запасы природных ископаемых, применяемых в электроэнергетике, за последнее время стремительно снижаются, что обусловлено ростом потребностей человека в энергии. является очень важной задачей, которая сможет решить проблему нехватки топлива для обеспечения потребностей.

Альтернативные источники энергии - шанс на спасение

Поиск новых источников топлива, которые принято называть альтернативными , является одной из составляющих частей такого понятия, как альтернативная энергетика. Альтернативная энергетика - это новая , представляющая собой общность перспективных направлений, ставящие своей задачей поиск новых способов получения, передачи и применения энергии, источником которой являются альтернативные источники энергетики. При этом одним из направлений развитии данной отрасли является использование любого вида энергетики, который представляет интерес с экономической точки зрения, в силу низкой стоимости за единицу получаемой энергии и с экологической точки зрения, поскольку альтернативные виды энергии, как правило, отличаются своей безопасностью и не наносят вред окружающей среде.

Использование альтернативных источников - это возможность получать практически бесконечную энергию, поскольку большинство альтернативных видов источников относятся к возобновляемым ресурсам, что делает их неисчерпаемыми.

Виды альтернативных источников энергии

В настоящее время исследовано и на практике применяется несколько способов получения электрической энергии без применения традиционных видов топлива. При этом согласно статистике, человек в современном мире применяет только 0,001% имеющихся в природе альтернативных источников энергии, что является ничтожно малой частью громадного потенциала природы.

Также проблемой, которая ставит использование альтернативных источников энергии в разряд развивающихся направлений, является полное отсутствие проработки данного вопроса на законодательном уровне, поскольку в настоящее время все природные ресурсы страны относятся к достоянию государства. Теоретически, даже применение солнца или ветра может облагаться налогом.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие виды получения энергии при помощи использования природных неиссякаемых источников.

Кроме перечисленных, наиболее распространенных видов источников получения альтернативной энергии, существуют более экзотические способы, в числе которых:

биотопливо, в качестве которого выступает различная биомасса и отходы;
мускульная сила человека;
использование силы грозы, принципом чего является попытки уловить разряд молний и перенаправление его в электросеть;
реакция подконтрольного термоядерного синтеза;
получения энергии посредством использования фотоэлектрических элементов, расположенных на земной орбите;
применение энергии приливов и отливов.

Развитие энергетики и постоянное совершенствования технологии значительно ускоряют процесс использования источников получения альтернативной энергии, за которой будущее.

Альтернативная энергетика - это нетрадиционные способы получения, передачи и использования энергии. Известна также как «зелёная» энергия». Под альтернативными источниками понимаются возобновляемые ресурсы (такие как вода, солнечный свет, ветер, энергия волн, геотермальные источники, нетрадиционное сжигание возобновляемого топлива).

Базируется на трёх принципах:

Возобновляемость.
Экологичность.
Экономичность.

Альтернативная энергетика должна решить несколько остро стоящих в мире проблем: трата полезных ископаемых и выделение в атмосферу углекислого газа (это происходит при стандартных способах добычи энергии через газ, нефть и т.д.), что влечёт за собой глобальное потепление, необратимое изменение экологии и парниковый эффект.

Развитие альтернативной энергетики

Направление считается новым, хотя попытки использовать энергию ветра, воды и солнца предпринимались ещё в 18 веке. В 1774 году издан первый научный труд по гидротехническому строительству - «Гидравлическая архитектура». Автор работы - французский инженер Бернар Форест де Белидор. После издания труда почти на 50 лет развитие зелёного направления застыло.

1846 - первая ветроустановка, проектировщик - Пол ла Кур.
1861 - патент на изобретение солнечной электростанции.
1881 - постройка гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде.
1913 - сооружение первой геотермальной станции, инженер - итальянец Пьеро Джинори Конти.
1931 - постройка первой промышленной ветряной станции в Крыму.
1957 - установка в Нидерландах мощной ветротурбины (200 кВт), подключённой к государственной сети.
1966 - строительство первой станции, вырабатывающей энергию на основе волн (Франция).

Новый толчок в развитии альтернативная энергетика получила в период жёсткого кризиса 1970 годов. С 90-ых годов по начало 21 века в мире зафиксировано критическое количество аварий на электростанциях, что стало дополнительным стимулом разработки зелёной энергии.

Альтернативная энергетика в России

Доля альтернативной энергетики в нашей стране занимает примерно 1% (по данным Минэнерго). К 2020 году планируется увеличить этот показатель до 4,5%. Развитие зелёной энергии будет проводиться не только средствами Правительства. РФ привлекает частных предпринимателей, обещая небольшой возврат средств (2,5 копеек за 1 кВт в час) тем бизнесменам, которые вплотную займутся альтернативными разработками.

Потенциал развития зелёной энергии в РФ огромен:

океанские и морские побережья, Сахалин, Камчатка, Чукотка и др. территории ввиду малой заселённости и застроенности могут использоваться в качестве источников ветровой энергии;
источники солнечной энергии в совокупности превышают то количество ресурсов, которые производятся путём переработки нефти и газа, - наиболее благоприятны в этом отношении Краснодарский и Ставропольский края, Дальний Восток, Северный Кавказ и др.

(Крупнейшая солнечная электростанция на Алтае, Россия )

В последние годы финансирование этой отрасли сократилось: планка в 333 млрд рублей опустилась до 700 млн. Это объясняется мировым экономическим кризисом и наличие неотложных проблем. На данный момент альтернативная энергетика не является приоритетным направлением в промышленности России.

Альтернативная энергетика стран мира

(Ветряные генераторы в Дании )

Наиболее динамично развивается гидроэнергетика (ввиду доступности водных ресурсов). Ветровая и солнечная энергия значительно отстают, хотя некоторые страны предпочитают двигаться именнов этих направлениях.

Так, с помощью ветряных установок добывается энергии (от общего числа):

28% в Дании;
19% в Португалии;
16% в Испании;
15% в Ирландии.

Спрос на солнечную энергию ниже, чем предложение: устанавливается половина источников от того числа, которое могут обеспечить производители.

(Солнечная электростанция в Германии )

ТОП-5 лидеров по производству зелёной энергии (данные портала вести.ру):

США (24,7%) - (все типы ресурсов, более всего задействован солнечный свет).
Германия - 11,7% (все виды альтернативных ресурсов).
Испания - 7,8% (ветряные источники).
Китай - 7,6% (все типы источников, половина из них - ветряная энергетика).
Бразилия - 5% (биотопливо, солнечные и ветряные источники).

(Крупнейшая солнечная электростанция в Испании )

Одна из наиболее труднорешаемых проблем - финансы. Зачастую пользоваться традиционными источниками энергии дешевле, чем устанавливать новое оборудование. Одним из потенциально позитивных решений этой задачи является резкое поднятие цен на свет, газ и т.д., чтобы вынудить людей экономить и со временем полностью перейти на альтернативные источники.

Прогнозы развития сильно варьируются. Так, Wind Energy Association обещает,ч то к 2020 году доля зелёной энергии вырастет до 12%, а EREC предполагает, что в 2030 году уже 35% энергопотребления в мире будет обеспечиваться из возобновляемых источников.

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Буйное развитие жизни на протяжении нескольких миллиардов лет наглядно доказывает обеспеченность Земли источниками энергии. Солнечный свет, тепло недр и химический потенциал позволяют живым организмам осуществлять множественные энергетические обмены, существуя в среде, созданной физическими факторами – температурой, давлением, влажностью, химическим составом.

Круговорот веществ и энергии в природе

Экономические критерии альтернативных источников энергии

Человек издревле использовал энергию ветра как движитель для кораблей, что позволяло развиваться торговле. Возобновляемое топливо из отмерших растений и отходов жизнедеятельности было источником тепла для приготовления пищи и получения первых металлов. Энергия перепада воды приводила в действие мельничные жернова. На протяжении тысячелетий это были основные виды энергии, которые мы теперь называем альтернативными источниками.

С развитием геологии и технологий добычи недр стало экономически выгодней добывать углеводороды и сжигать их для получения энергии по мере необходимости, чем ждать у моря погоды в буквальном смысле, надеясь на удачное совпадение течений, направления ветра, облачности.

Нестабильность и изменчивость погодных условий, а также относительная дешевизна двигателей, работающих на ископаемом топливе, заставили прогресс развиваться по пути использования энергии недр земли.

Диаграмма, демонстрирующая соотношение потребления ископаемых и возобновляемых источников энергии

Усвоенный и переработанный живыми организмами углекислый газ, покоившийся в недрах миллионы лет, снова возвращается в атмосферу при сжигании ископаемых углеводородов, что является источником парникового эффекта и глобального потепления. Благополучие будущих поколений и хрупкое равновесие экосистемы заставляют человечество пересмотреть экономические показатели и использовать альтернативные виды энергии , ведь здоровье дороже всего.

Сознательное использование возобновляемых природой альтернативных источников энергии становится популярным, но, как и прежде, преобладают экономические приоритеты. Но в условиях загородного дома или на даче использование источников альтернативного электричества и тепла может оказаться единственным экономически выгодным вариантом получения энергии, если проведение, подключение и установка линий энергоснабжения окажется слишком дорогой затеей.

Обеспечение удаленного от цивилизации дома минимально необходимым объемом электроэнергии с помощью солнечных панелей и ветрогенератора

Возможности использования альтернативных видов энергии

Пока ученые исследуют новые направления и разрабатывают технологии холодного термоядерного синтеза, домашние мастера могут использовать следующие альтернативные источники энергии для дома:

Солнечный свет;
Энергия ветра;
Биологический газ;
Разница температур;

По данным альтернативным видам возобновляемой энергии существуют готовые решения, успешно внедренные в массовое производство. Например – солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и тепловые насосы различной мощности можно приобрести вместе с доставкой и установкой, чтобы иметь свои альтернативные источники электричества и тепловой энергии для частного дома.

Промышленно выпускаемая солнечная панель, установленная на крыше частного дома

В каждом отдельном случае должен быть свой собственный план обеспечения домашних электроприборов источниками альтернативной электрической энергии, согласно потребностей и возможностей. Например, для питания ноутбука, планшета, зарядки телефона можно использовать источник напряжением 12 В., и переносные адаптеры. Данного напряжения, при достаточном объеме аккумулятора энергии будет достаточно для освещения при помощи .

Солнечные батареи и ветрогенераторы должны заряжать аккумуляторы, ввиду непостоянства освещения и силы энергии ветра. С увеличением мощности альтернативных источников электричества и объема аккумуляторов возрастает энергетическая независимость автономного энергоснабжения. Если требуется подключить к альтернативному источнику электричества электроприборы, работающие от 220 В., то применяют преобразователи напряжения .

Схема, иллюстрирующая питание домашних электроприборов от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором и солнечными панелями

Альтернативная энергия солнечного излучения

В домашних условиях практически невозможно создать фотоэлементы, поэтому конструкторы альтернативных источников энергии используют готовые комплектующие, собирая генерирующие конструкции, добиваясь необходимой мощности. Соединение фотоэлементов последовательно увеличивает выходное напряжение полученного источника электричества, а подключение собранных цепочек параллельно дает больший суммарный ток сборки.

Схема подключения фотоэлементов в сборке

Ориентироваться можно на интенсивность энергии солнечного излучения – это примерно один киловатт на квадратный метр. Также нужно учитывать коэффициент полезного действия солнечных батарей – на данный момент это приблизительно 14%, но ведутся интенсивные разработки для увеличения КПД солнечных генераторов. Выходная мощность зависит от интенсивности излучения и угла падения лучей.

Можно начать с малого – приобрести одну или несколько небольших солнечных батарей, и иметь источник альтернативного электричества на даче в объеме, необходимом для зарядки смартфона или ноутбука, чтобы иметь доступ к глобальной сети интернет. Замеряя ток и напряжение, изучают объемы потребления энергии, обдумывая перспективу дальнейшего расширения использования источников альтернативной электроэнергии.

Установка дополнительных солнечных батарей на крыше дома

Нужно помнить, что солнечный свет также является источником теплового (инфракрасного) излучения, которое может использоваться для нагрева теплоносителя без дальнейшего преобразования энергии в электричество. Данный альтернативный принцип применяется в солнечных коллекторах , где при помощи отражателей инфракрасное излучение концентрируется и передается теплоносителем в систему отопления.

Солнечный коллектор в составе домашней системы отопления

Альтернативная энергия ветра

Простейший путь для самостоятельного создания ветрогенератора – это использовать автомобильный генератор. Для увеличения оборотов и напряжения источника альтернативного электричества (эффективности генерации электрической энергии) следует применить редуктор или ременную передачу. Объяснение всевозможных технологических нюансов выходит за рамки данной статьи – нужно изучать принципы аэродинамики, чтобы понять процесс преобразования скорости потока воздушных масс в альтернативное электричество.

На начальном этапе изучения перспектив преобразования возобновляемых источников альтернативной энергии ветра в электричество, нужно выбрать конструкцию ветряка. Наиболее распространенные конструкции – это лопастной винт с горизонтальной осью, ротор Савониуса, и турбина Дарье. Лопастной винт с тремя лопастями в качестве источника альтернативной энергии – наиболее распространенный вариант для самодельного изготовления.

Разновидности турбин Дарье

При проектировании лопастей винтов большое значение имеет угловая скорость вращения ветряка. Существует так называемый фактор эффективности винта, который зависит от скорости воздушного потока, а также длины, сечения, количества и угла атаки лопастей.

Обобщенно данную концепцию можно понять так – при малом ветре длины лопасти с самым удачным углом атаки будет недостаточно для достижения максимальной эффективности генерации энергии, но с многократным усилением потока и увеличением угловой скорости кромки лопастей будут испытывать чрезмерное сопротивление, которое может их повредить.

Сложный профиль лопасти ветряка

Поэтому длину лопастей рассчитывают исходя из средней скорости ветра, плавно изменяя угол атаки относительно удаления от центра винта. Для предотвращения поломки лопастей при ураганном ветре выводы генератора замыкают накоротко, что препятствует вращению винта. Для приблизительных расчетов можно принимать один киловатт альтернативной электроэнергии от трехлопастного винта диаметром 3 метра при средней скорости ветра 10м/с.

Для создания оптимального профиля лопасти потребуется компьютерное моделирование и ЧПУ станок. В домашних условиях мастера используют подручные материалы и инструменты, стараясь максимально точно воссоздать чертежи альтернативных источников ветровой энергии. В качестве материалов используется дерево, метал, пластик и т.д.

Самодельный винт ветрогенератора, сделанный из дерева и металлической пластины

Для генерации электричества мощности автомобильного генератора может оказаться недостаточно, поэтому мастера своими руками изготавливают генерирующие электрические машины, или переделывают электродвигатели. Наиболее популярная конструкция источника альтернативного электричества – ротор с попеременно размещенными неодимовыми магнитами и статором с обмотками.

Роторы самодельного генератора

Статор с обмотками для самодельного генератора

Альтернативная энергия биогаза

Биологический газ в качестве источника энергии получают в основном двумя способами – это пиролиз и анаэробное (без доступа кислорода) разложение органических веществ. Для пиролиза требуется лимитированная подача кислорода, необходимая для поддержания температуры реакции, при этом выделяются горючие газы: метан, водород, угарный газ и другие соединения: углекислый газ, уксусная кислота, вода, зольные остатки. В качестве источника для пиролиза лучше всего подходит топливо с большим содержанием смол. На видео ниже показана наглядная демонстрация выделения горючих газов из древесины при нагреве.

Для синтеза биогаза из отходов жизнедеятельности организмов применяются метантанки различных конструкций. Устанавливать метантанк дома своими руками имеет смысл при наличии в домашнем хозяйстве курятника, свинарника и поголовья крупного рогатого скота. Основной газ на выходе – метан, но большое количество примеси сероводорода и других органических соединений требует применения систем очищения для удаления запаха и предотвращения засорения горелок в тепловых генераторах или загрязнения топливных трактов двигателя.

Нужно основательное изучение энергии химических процессов, технологий с постепенным набором опыта, пройдя путь проб и ошибок, чтобы получить на выходе источника горючий биологический газ приемлемого качества.

Независимо от происхождения, после очистки смесь газов подается в теплогенератор (котел, печь, конфорка плиты) или в карбюратор бензинового генератора, — такими способами получается полноценная альтернативная энергия своими руками. При достаточной мощности газогенераторов возможно не только обеспечение дома альтернативной энергией, но и обеспечивается работа небольшого производства, как показано на видео:

Тепловые машины для экономии и получения альтернативной энергии

Тепловые насосы широко применяются в холодильниках и кондиционерах. Было замечено, для перемещения тепла требуется в несколько раз меньше энергии, чем для его генерации. Поэтому студеная вода из скважины имеет тепловой потенциал относительно морозной погоды. Понижая температуру проточной воды из скважины или из глубин незамерзающего озера, тепловые насосы отбирают тепло и передают его в систему отопления, при этом достигается значительная экономия электричества.

Экономия электроэнергии с помощью теплового насоса

Другой тип тепловой машины – двигатель Стирлинга, работающий от энергии разницы температур в замкнутой системе цилиндров и поршней, размещенных на коленчатом вале под углом 90º. Вращение коленвала может использоваться для генерации электричества. В сети имеется множество материалов из проверенных источников, подробно объясняющих принцип действия двигателя Стирлинга, и даже приводятся примеры самодельных конструкций, как на видео ниже:

К сожалению, домашние условия не позволяют создать двигатель Стирлинга с параметрами выхода энергии выше, чем у забавной игрушки или демонстрационного стенда. Для получения приемлемой мощности и экономичности требуется, чтобы рабочий газ (водород или гелий) был под большим давлением (200 атмосфер и больше). Подобные тепловые машины уже используются в солнечных и геотермальных электростанциях и начинают внедряться в частный сектор.

Двигатель Стирлинга в фокусе параболического зеркала

Чтобы получить максимально стабильное и независимое электричество на даче или в частном доме потребуется совмещения нескольких альтернативных источников энергии.

Новаторские идеи по созданию альтернативных источников энергии

Целиком и полностью охватить весь спектр возможностей возобновляемой альтернативной энергетики не сможет ни один знаток. Альтернативные источники энергии имеются буквально в каждой живой клетке. Например, водоросль хлореллы давно известна как источник белков в корме для рыб.

Ставятся опыты по выращиванию хлореллы в невесомости, для применения в качестве пищи космонавтов при дальних космических перелетах в будущем. Энергетический потенциал водорослей и других простых организмов изучается для синтеза горючих углеводородов.

Аккумулирование солнечного света в живых клетках хлореллы, выращиваемой в промышленных установках

Нужно иметь в виду, что преобразователя и аккумулятора энергии солнечного света лучшего, чем фторопласт живой клетки пока не придумано. Поэтому потенциальные возобновляемые источники альтернативного электричества имеются в каждом зеленом листе, осуществляющем фотосинтез .

Основная сложность состоит в том, чтобы собрать органический материал, при помощи химических и физических процессов достать оттуда энергию и преобразовать ее в электричество. Уже сейчас большие площади аграрных земель отводятся под выращивание альтернативных энергетических культур.

Уборка мискантуса — энергетической агротехнической культуры

Другим колоссальным источником альтернативной энергии может служить атмосферное электричество. Энергия молний огромная и обладает разрушительными воздействиями, и для защиты от них используются молниеотводы.

альтТрудности с обузданием энергетического потенциала молнии и атмосферного электричества состоят в большом напряжении и силе тока разряда за очень короткое время, что требует создания многоступенчатых систем из конденсаторов для накопления заряда с последующим использованием запасенной энергии. Также хорошие перспективы имеются у статического атмосферного электричества.

Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо - уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. На вопрос «что делать в преддверии энергетического кризиса?» уже давно найден ответ: надо искать другие источники энергии - альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые.

Какие же в настоящее время существуют основные альтернативные источники энергии ?

Солнечная энергия

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы).

К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками солнечной энергии являются зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.

Варианты использования солнечной энергии:

Ветряная энергия

Одним их перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей.

Если вам интересна тема использования энергии ветра, то посмотрите эти статьи:

Геотермальная энергия

Огромное количество тепловой энергии хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики.

Используют геотермальные источники по-разному. Одни источники служат для теплоснабжения, другие - для получения электричества из тепловой энергии.

К преимуществам геотермальных источников энергии можно отнести неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года.

К негативным сторонам можно отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому для отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.