Электроэнергетика будущего сообщение. Энергетика будущего: реальность и фантазии. Альтернативные источники энергии. Новые подходы к созданию топливных элементов
Энергетика - важнейший ресурс, необходимый обществу для полноценного развития и охватывающий разные сферы жизни человечества, такие как экономика и наука. Мы используем энергию в повседневной жизни, когда включаем свет, заряжаем телефон и т.д. И сейчас для производства такого важного ресурса мы используем исчерпаемые источники. Но задумывались вы, что делать, если они иссякнут
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Реферат
Энергетика будущего. Возможные проблемы
Вологдин Никита
Преподаваеть :Возовик
Красноярск
2012
Введение ..................................................................................................... 3
Глава 1 Анализ существующих электростанций …………………………………………………………. 4-9
1.3 Атомная электростанция ……………………………………………… 6-8
Глава 2 Альтернативные источники энергии и перспективы их развития ………… 9-14
2.1 Использование энергии ветра …………………………………………………………………… 9
2.2 Использование геотермальной энергии ………………………………………………………………… 10
2.3 Энергия морских волн ……………………………………………………………………. 11
2.4 Приливные электростанции …………………………………………... 11-12
2.5 Солнечная энергия в энергетике …………………………………………………………….. 12-14
Глава 3 Проблемы современной энергетики ……………………………………………………………. 15-17
Заключение ……………………………………………………………… 18
Литература ………………………………………………………………. 19
Введение.
Данный реферат посвящен проблеме развития энергетики в будущем.
Объектом моего исследования выступают разные виды наиболее перспективных электростанций.
Энергетика - важнейший ресурс, необходимый обществу для полноценного развития и охватывающий разные сферы жизни человечества, такие как экономика и наука. Мы используем энергию в повседневной жизни, когда включаем свет, заряжаем телефон и т.д. И сейчас для производства такого важного ресурса мы используем исчерпаемые источники. Но задумывались вы, что делать, если они иссякнут? По последним сводкам органического топлива (нефть, уголь) остается только на 300, в лучшем случае, 400 лет.
И чтобы не решится энергетики, мы должны искать альтернативные источники и модернизировать уже существующие.
В своей работе, проанализировав научно-популярную литературу, я постараюсь доступно объяснить принцип работы различных электростанций, указать на проблемы, которые предстоит решить, и предположить какие электростанции человечество будет использовать в ближайшем будущем.
Логически мою работу можно разделить на три части.
В первой я постараюсь рассказать об устройстве, преимуществах и недостатках уже существующих электростанций. Во второй часть мы перейдем к обсуждению альтернативных источников энергии. И наконец мы рассмотрим проблемы современной энергетики такие, как транспорт энергии и т.д
Глава 1.
Устройство и анализ уже существующих электростанций .
В данной главе мы рассмотрим устройство уже существующих электростанций, их основные элементы, по которым различают одну электростанцию от другой, а также перспективы их развития.
Теплоэнергетика является наиболее распространенной в современном мире, однако кроме преимуществ, делающих тепловые электростанции(ТЭС) самыми распространенными в мире, есть и заметные недостатки с которыми предстоит работать. Рассмотрим устройство ТЭС.
Любая ТЭС состоит из пяти основных элементов:
На рис.1 представлена схема устройства ТЭС.
Органическое топливо подается в топу котла (5 на схеме), там оно сжигается. За счет выделяемого тепла и воды, подаваемой в котел через насос 4, образуется насыщенный пар.
В паронагревателе 1 температура пара повышается до требуемой величины. Далее, пар поступает в паровую турбину 2, где его тепловая энергия превращается в механическую: пар раскручивает турбину, которая соединена с валом электрогенератора(на схеме изображен справа от паровой турбины 2), преобразующего механическую энергию в электрическую. Выходящий из турбины пар поступает в конденсатор 3, по трубкам которого прокачивается охлаждающая вода, благодаря этому водяной пар переходит в жидкое состояние, то есть в воду. Вода из конденсатора подается в котел. Цикл замыкается.
Рис 1.
Схема устройства ТЭС
Теперь стоить рассмотреть причины, по которым ТЭС являют одной из самых распространенных разновидностей электростанций.
Во-первых, сроки возведения ТЭС достаточно коротки, по сравнению с другими типами электростанций.
Во-вторых, капиталовложения для возведения ТЭС существенно ниже, чем для АЭС и ГЭС.
В-третьих, ТЭС можно возводить в любом месте. Например, для постройки ГЭС необходимо строить на реке, а АЭС в целях безопасности строят далеко от населенных пунктов. ТЭС менее зависит от расположения, однако следует учесть, что для ТЭС нужно «топливо», то есть уголь, нефть и т.д, поэтому выгоднее строить ТЭС недалеко от места добычи этих ресурсов, в противном случае будут слишком большие затраты на перевозку топлива.
Таким образом, ТЭС на фоне других типов электростанций выглядит достаточно конкурентоспособными.
Однако стоить обратить внимание на некоторые недостатки ТЭС. Один из них является загрязнение окружающей среды.
Например, очень трудно бороться с оксидами азота, особенно серы. Однако есть варианты решения такого рода проблем, например, наиболее экологичным вариантом топлива для ТЭС является природный газ, однако он более дорогой, чем уголь.
Другой проблемой является тот факт, что наука и многочисленные опыты показывают, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в механическую, что сказывается на КПД ТЭС. «Это связано с тем, что тепловая энергия имеет существенное отличие от других видов энергии, обусловленное тем, что в основе ее лежит неупорядоченное движение мельчайших частиц вещества. Порядок просто превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее». 1
Теперь давайте рассмотри устройство гидроэлектростанций, то есть ГЭС. Другой вид электростанций, который уже нашел применение в современной энергетике.
Экономические показатели ГЭС вполне подходящие: себестоимость электроэнергии, произведенной ГЭС, гораздо ниже, чем для ТЭС и АЭС, а капитальные вложения хотя и выше, чем для ТЭС, но ниже, чем для АЭС.
Давайте рассмотрим устройство ГЭС(рис.2). Электростанции такого рода состоят из: резервуаров, находящихся на разных уровнях и насоса-турбины, которая может работать, как насос для переливания воды из нижнего резервуара в верхний, и наоборот работать, как гидравлическая турбина, соединенная с электрическим генератором.
ГЭС забирает из электрической сети «избыток» энергии (в период снижения потребности в ней) и с ее помощью перекачать некоторое количество воды из нижнего резервуара в верхний, создав, таким образом, запас потенциальной энергии.
Наоборот, в часы повышенного спроса на электрическую энергию (в часы пик) запасенная в верхнем резервуаре вода перепускается через мотор-генератор, работающий в это время в режиме генератора и производящий электроэнергию, в нижний резервуар.
Рис. 2 Схема устройства ГСЭ
Несмотря на тот факт, что ГЭС сейчас составляет около 49% 2 всей электроэнергетики, не стоит забывать о недостатках.
Во-первых, ГЭС имеет относительно низкий КПД, около 70%. Иначе говоря, ГЭС может отдать потребителю в час пик только 70% электроэнергии, которая была забрана ею в часы пониженного спроса.
Во-вторых, относительно высокая стоимость строительства.
Однако не стоит забывать о положительных сторонах такого типа электростанций.
Разобравшись с гидроэлектростанциями, рассмотрим другой вид электростанций, а именно атомная электростанция.
1.3 Атомная электростанция (АЭС)
Современная атомная энергетика основывается на экспериментально установленном факте деления тяжелых ядер элементов (урана, плутония, тория) в результате попадания в ядро нейтрона, развивается цепная реакция с выделением огромного количества энергии, то есть тепла.
Стоит отметить, что один из названных элементов - плутоний встречается на Земле в очень маленьких количествах в урановых рудах.
Это не помешало, добытому в ядерных реакторах плутонию, 239Рu, стать наряду с ураном важнейшим ядерным топливом.
Важно заметить, что масса тяжелого ядра (урана, плутония или тория) до ядерной реакции несколько больше суммы, масс, получаемых в результате реакции продуктов реакции. То есть мы имеем здесь дело с так называемым дефектом массы - явлением, связанным с огромным энерговыделением.
В атомной энергетике имеют дело с двумя типами нейтронов: так называемыми быстрыми, обладающими большей энергией, возникающими в результате ядерной реакции, например при делении ядра урана, и нейтронами, именуемыми замедленными. Однако их энергия приблизительно в 100 раз меньше энергии быстрых нейтронов. Тепловые (замедленные) нейтроны можно получить, используя замедлитель, которым может служить обычная или тяжелая (вода Тяжелая вода - изотопная разновидность воды, в молекулу которой входят тяжелые изотопы водорода, наиболее известна тяжелая вода D2O, где D - дейтерий, изотоп водорода.) и графит.
АЭС на тепловых нейтронах должен состоять из:
В активной зоне находятся топливо и регулирующие стержни, задачи которых обеспечить управление цепной ядерной реакции. Их изготавливают из веществ, которые хорошо поглощают нейтроны, например, графит, но для реактора на быстрых нейтронах не существуют эффективных поглотителей, поэтому используют вещества-рассеиватели, например, никель. И в отличие от поглотителя, такой стержень в начале работы реактора находится за пределами активной зоны, а затем вводится в активную зону.
Топливо в активной зоне реактора помещают в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), каждый из которых состоит из сердечника и оболочки. Сердечник представляет собой ядерное топливо.
Оболочка ТВЭЛа часто выполнена из сплавов алюминия и циркония или грфита высокой прочности, в зависимости от условий, в частности от температуры. Оболочка ТВЭЛа должна быть герметичной, высокопрочной, должна обладать высокой устойчивостью в интенсивном нейронном потоке. Именно эти материалы и удовлетворяют требованиям.
Биологическая защита это своего рода защита, которая оберегает от излучения. Биологическая защита часто делается из бетона высокого качества и обычно содержит около 10% воды, являющейся, хорошим поглотителем нейтронов. В бетон часто добавляется карбид бора, также хорошо поглощающий нейтроны. Частицы, составляющие радиоактивное излучение, сначала замедляются в результате столкновений с ядрами атомов вещества, составляющего защиту, а затем поглощаются.
Рис.3 Схема устройства водо-водяного реактора
Теперь перейдем к обсуждению принципа работы АЭС.
Перед началом работы реактора стержни полностью вводят в его активную зону (для тепловых нейтронов). При этом поглощается большая часть нейтронов, следовательно реакция делений ядер не происходит, затем по мере выводя из активной зоны реактора, процесс ускоряется. Благодаря автоматике высота стержней регулируется таким образом, чтобы число нейтронов было постоянным, иначе произойдет взрыв (неуправляемая ядерная реакция). Теплоноситель (чаще всего вода), циркулирующий в активной зоне реактора, нагревает и превращает воду в пар. Пар вращает турбину, которая соединена с ротором генератора электрического тока. А отработанный пар попадаетв конденсатор. Цикл замыкается.(рис.4)
Таким образом, получается, что АЭС отличается от ТЭС в основном только реактором. И, в общем, их принцип работы очень похожи.
Рис.4 Схема устройства водо-водяного реактора и теплообменника - парогенератора
«При работе другого типа реактора, на быстрых нейтронах, его ещё называют реактор-множитель, получают не только электроэнергию, используя 239Ри и 233U как исходное ядерное топливо, но и новую порции 239Ри и 233U, как побочный продукт.
Еще одной отличительной чертой данного типа реактора является то, что в теплообменнике и парогенераторе используется жидкий металл, чаще всего натрий. Так как вода может поглощать нейтроны, что не является необходимым в данном типе АЭС.
Таким образом, получается, что АЭС имеют право быть одними из наиболее распространенных типов электростанций, но основным вопросом остается вопрос безопасности. Одним из предложенных вариантов является сооружение АЭС под землей.» 3
Рис.6 Схема устройства водо-водяного реактора и теплообменника - парогенератора
В данной главе мы рассмотрели основные принципы устройства уже существующих электростанций. А теперь мы переходим непосредственно к альтернативным источникам энергии.
Глава 2.
Альтернативные источники энергии и перспективы их развития.
В данной главе мы рассмотрим способы добычи электроэнергии, которые еще не получили широкое распространение, но которые могут помочь улучшить нашу жизнь, так как было уже сказано энергетика играет важную роль в жизни современного человека.
И начнем с способа, связанного с использования энергии ветра.
2.1 Использование энергии ветра.
Прежде всего нужно понять, что такое ветер. Ветер- это движение воздушных масс относительно поверхности земли за счет разности давления, которое возникает из-за неравномерного прогревания поверхности Земли.
Данный тип энергии уже используется очень давно, примером может служить ветреная мельница. Энергия ветра относится к число восполняемых источников, но стоит отметить, что большой трудностью является непостоянство скорости ветра и его направления, таким образом, энергию этого типа можно использовать для механизмов, не требующих постоянной энергии, или для передачи электроэнергии в достаточно мощную систему, для которой небольшие изменения количества поступающей энергии несущественны. Также можно заряжать аккумуляторы с помощью данной энергии, или преобразовывать в механическую и использовать в качестве насоса, при чем без дополнительного сосуда. В настоящий момент существуют ветровые установки мощностью от 10 до 100 Квт.
Рис.7 Ветровая установка
Теперь давайте рассмотрим способ, связанный с энергией, которая «лежит у нас под ногами», а именно геотермальная энергия.
2.2 Использование геотермальной энергии.
Геотермальная энергия это тепло, выделяющееся за счет распада радиоактивных элементов в глубинных слоях Земли и движения тектонических плит.
Прежде всего выделяют три слоя Земли:
Рис.8 Строение Земли
«С увеличением глубины земных слоев температура повышается. На глубине 50 км она составляет около 700 - 800° С, на глубине 500 км - около 1500 - 2000° С, на глубине 1000 км -примерно 1700 - 2500° С, на глубине 2900 км (граница между мантией и ядром) - порядка 2000 - 4700°С, в центре Земли, т. е. на глубине 6371 км, - 2200 - 2500° С.» 4 Это, как уже сказано объясняется тем, что продолжается распад радиоактивных элементов в глубинных слоях. Поэтому существует «поток тепла» к земной коре, тепло, накопленной в ядре огромно, поэтому геотермальную энергию относят к восполняемым источникам энергии.
Мощность геотермальной энергии в 4000 раз меньше энергии солнечной радиации, но в 30 раз больше мощности всех электростанций мира.
Существуют два источника геотермальной энергии: гидротермальные, то есть разогретые пар и вода, температура которых около100° С, и петротермальные, то есть нагретые твердые породы.
Гидротермальная энергия уже нашла применение в современном мире, в геохимических районах используется в отопительной системе и системе водоснабжения, но воду из гейзеров подавать в систему водоснабжения нельзя из-за высокой степени содержания минеральных веществ, поэтому ее только используют для нагревания.
Что касается получения электрической энергии на основе гидротермальной, то принято считать, что пределом, ниже которого геотермальную электростанцию создавать нерентабельно, является температура пара или воды, близкая к 130° С. Возможно в будущем благодаря развитию технологий этот предел может быть снижен. Однако стоит отметить, что в 1967 г. на Камчатке была создана Паужетская геотермальная электростанция мощностью 2,5 МВт.
В настоящее время вообще не используется второй тип геотермальной энергии-петротермальная, так как с ним связано много сложностей. Одна из них плохая способность сохранять тело подземных пород, и поэтому считаются невыгодными проектами.
Сейчас я думаю, мы можем поставить точку в обсуждении геотеральной энергии и перейти к использованием морских волн.
2.3 Энергия морских волн.
Сейчас многие ученые считают, что подобные установки можно использовать в открытом море как можно дальше от мест прибоя, но мощность таких установок достаточно низкая.
Теперь давайте рассмотрим устройство таких станций.
Рис.9 Схема установки для преобразования энергии морских волн
Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные воздухом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня. Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения под ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная секция находится над гребнем волны, объем находящегося в ней воздуха уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда же секция находится между двумя гребнями волны, давление воздуха снижается. Сверху платформы установлены турбины, благодаря которым энергия волн преобразуется в электрическую энергию.
Наиболее важной проблемой становится влага. Таким образом, должно использоваться влагоустойчивое оборудование. Другая проблема связана с низкой мощностью данного механизма, однако они нашли применение. Например, в Японии используются данные установки питания электроэнергией плавающих буев.
Другой способ получения энергии, также связан с водой.
2.4 Приливные электростанции.
Причиной морских приливов отливов - воздействие на водную оболочку Земли Луны и Солнца, а также центробежных сил. Максимальное поднятие воды, именуемое полной водой, над минимальным опусканием уровня воды - малая вода, составляет в открытом океане около 1 м. Но в зависимости от очертания береговой линии, а также географической широты, глубины моря вблизи суши и некоторых других факторов величина прилива может быть гораздо больше.
«Сейчас считается, что для создания приливной электростанции разность уровней во время прилива и отлива должна быть не менее 10 м. Но таких мест не более 30 во всем мире». 5 Максимальная величина разности уровней моря во время прилива и отлива обнаружена в некоторых местах
«Атлантического побережья Канады, где она достигает 18 м.
отмечены высокие уровни прилива в некоторых места Ла-Манша (до 15 м),
Охотского моря (до 13 м), Белого моря (до 10 м), Баренцева моря (до 10 м).
Действие данной электростанции основано на свой свойствах сообщающихся сосудов, а именно под действием давления уровни жидкостей равны.
Сооружается плотина, образующая необходимый бассейн. В теле плотины устанавливается гидротурбогенератор, который (в целях большей эффективности работы электростанции) должен быть «обратимым», т. е. действовать по своему прямому назначению при протекании через него воды в обе стороны: как справа налево, так и слева направо.
Рис.10 Схема приливной электростанции
Однако показатели приливной электростанции невысоки. Однако технико-экономические показатели приливной электростанции невысокие. В этом можно убедиться, ознакомившись с работой приливной электростанции, построенной в 1966 г. во Франции на реке Роне, на берегу Ла-Манша, мощностью 240 тыс. кВт (В 1968 г. в Советском Союзе на побережье Баренцева моря близ г. Мурманска была построена Кислогубская приливная электростанция мощностью 800 кВт.). Стоимость ее строительства значительно выше, чем обычной гидроэлектростанции такой же мощности, а число часов работы в год на номинальной мощности по понятным причинам гораздо ниже.
И в завершение главы хочется рассказать о наиболее перспективном проекте, а именно использование солнечной энергии.
2.5 Солнечная энергия в энергетике.
Солнце - самый мощный источник энергии, из доступных на сегодняшний день. Полная мощность выражается 4 x 10 14 кВт. Но к сожалению большая часть энергии отражается атмосферой земли, и тогда на каждый квадратный метр суши в среднем приходится 0,35 кВт, то на всю поверхность Земли приходится 105 млрд кВт.
Энергию солнца можно использовать для нагрева рабочего тела, например, воды в системе водоснабжения или для преобразования в электрическую энергию. Остановимся подробнее на втором.
В настоящее время применяют для этого два способа:
Но стоит отметить, что первый способ более перспективен. Поэтому мы начнем с него.
ФЕП представляет собой устройство, действие которого основано на явлении фотоэффекта. «Явление вырывания электронов из вещества под действием света называют фотоэффектом.» 6 Сначала использовали тот, факт, что электроны катода выходят в ФЭП вакуум, но КПД этого процесса было мало.
Затем стали использовать ФЭП с запирающим слоем. Принцип его работы заключается в том, что есть два полупроводника, один из них с избытком электронов, а другой с «дыркой», то есть электрон вышел, а его место стало пустым.(рис. То в случае контакта между двумя пластинами, то свободные электроны начнут двигаться к проводнику с «дыркой», а «дырки» им навстречу. Но исходя из этого процесса нельзя получить электрический ток, так как при замыкании цепи они уравновесят друг друга, другое дело если на границу попадает свет, то образуется пары «элетрон-дырка», так образуется дополнительная разность потенциалов, следовательно, и электрический ток.
Рис.11 схема принципа работы солнечной батареи
В качестве полупроводника используют кремний и германий с примесями, так как эти вещества в чистом виде-диэлектрики. Но стоит отметить, что КПД ФЭП только около 25%, а стоимость таких установок пока еще высока, но ФЭП нашли применение космические аппараты.
Остановимся теперь на втором способе преобразования солнечной энергии-на создании паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий, например, на угле, заменяется солнечным паровым котлом. На рис.12 представлена схема устройства такого вида электростанций.
Схема солнечной паровой установки настолько ясна, что не требует дополнительных пояснений.
Рис.12 схема паросиловой электростанции.
Ознакомившись с альтернативными источниками энергии, мы понимаем, что использование этих источников требует определенных знаний и технологий, чтобы они действительно могли приносить пользу, поэтому все зависит от нас
Глава 3
Проблемы современной энергетики.
В этой главе мы рассмотрим вопросы, которые еще предстоит решить для того, чтобы развивать энергетику. К таким вопросам относится загрязнение окружающей среды, проблемы связанные с транспортировкой электроэнергии.
Сначала давайте рассмотрим проблему транспортировки электроэнергии, так как, найдя решение этой проблеме, мы, возможно, найдем путь уменьшить потери энергии при транспортировке. Дело в том, что большинство видов электростанций зависят от их географического положения, например, ТЭС должна находиться недалеко от мест добычи топлива, ГЭС должна находиться в полноводных реках. Отсутствие свободы в выборе места расположения электростанции и рост потребления электроэнергетики - делают транспорт энергии одним из важнейших вопросов современного развития энергетики.
Существуют два выхода из этой проблемы:
транспортировка сырья, топлива (для ТЭС);
транспорт самой электроэнергии;
В настоящее время для перекачки нефти и нефтепродуктов используют трубопровод.
Нефть является несжимаемой жидкостью, поэтому расход энергии на ее перекачку определяется только необходимостью преодоления сил трения в трубопроводе, то есть является относительно малым. Также близко по экономичности перевозка нефти в больших танкерах. Труднее обстоит дело с транспортом природного газа. Он легко сжимается, поэтому приходиться использовать компрессор и трубопровод большого диаметра. Более экономичнее было бы транспортировать сжиженный газ, но есть одно но: чтобы поддерживать данное состояние необходима температура -150 °С.
Что касается транспорта угля на дальнее расстояние, то в настоящее время для этой цели используется только железнодорожный и водный транспорт. Подсчитано, что при перевозке груза по железной дороге при скорости 100 км/ч расход энергии в 4 раза меньше по сравнению с автомобильным транспортом и более чем в 60 раз меньше по сравнению с авиацией.
С другой стороны, мы всегда можем транспортировать саму электроэнергию. Универсальным средством транспорта энергии являются линии электропередачи, или, как их кратко именуют, ЛЭП. Назначение ЛЭП-не только односторонняя передача энергии, как это производится, например, с помощью нефте- и газопроводов, но и осуществление связи между отдельными электростанциями и целыми энергетическими системами. Такая связь помогает повысить надежность работы энергосистемы, сократить необходимый резерв мощности, облегчить работу системы в периоды максимальной и минимальной потребности в электроэнергии. По основным экономическим показателям ЛЭП уступают не только нефтепроводам, но и газопроводам. Что касается перевозки угля на дальние расстояния железнодорожным транспортом, то ее экономичность близка к экономичности ЛЭП.
Широко используются два типа ЛЭП: на постоянном токе и на переменном токе. У каждого из типов есть свои преимущества и недостатки. Из-за более высокого допустимого рабочего напряжения в линии (в 1,5-2 раза больше, чем для ЛЭП на переменном токе) ЛЭП на постоянном токе могут сооружаться на более дальние расстояния. Во-вторых, применения ЛЭП на постоянном токе для связи между собой энергетических систем исключается необходимость в синхронизации систем и строгом уравнивании их частот. Следовательно, ЛЭП на постоянном токе делают энергетические системы более устойчивыми.
Однако есть недостатки, а именно необходимость иметь два преобразователя, один на передающем конце линии для превращения переменного тока в постоянный и другой на принимающем конце линии для преобразования постоянного тока в переменный. Это является достаточно дорогим оборудованием, к тому же стоит учесть их количество в возможной электросети. Также если использовать ЛЭП на постоянном токе для передачи электроэнергии на небольшие расстояния, потери энергии в самих преобразователях будет выше потери ее в ЛЭП на переменном токе.
Однако ЛЭП на постоянном токе могут найти свое применение для передачи энергии на большие расстояния ввиду их устойчивости.
Перспектива дальнейшего развития передачи электроэнергии по проводам связывается теперь не только с воздушными, но и с кабельными ЛЭП. Под кабельной ЛЭП понимается такой способ передачи электрической энергии, при котором токопроводящие провода вместе с электрической изоляцией заключены в герметическую оболочку. Силовые кабели обычно располагают под землей. Что также имеет свои преимущества, например, для того, чтобы построит воздушную линию необходимо учитывать факторы окружающей среды такие, как перепады температур, ветра, влажность воздуха в данном месте, а просчеты могут выйти большими энергопотерями.
ЛЭП на переменном токе также находит применение в современном мире. Большинство современных электрических приборов работают на переменном токе, следовательно будет необходим преобразователь постоянного в случае использования постоянного тока, а если учесть что вы находитесь в достаточно крупном городе, то электроэнергия вырабатывается в основном ТЭС, находящиеся недалеко от города, то получаем, что расстояние достаточно мало, следовательно использование постоянного тока экономически невыгодно, так как большая часть электрической энергии будет потеряна за счет ее преобразования. К тому же сама себестоимость такой энергии будет выше, так как постоянную энергию нужно преобразовывать. В этом заключается преимущество ЛЭП на переменном токе. Но есть и отрицательные качества: ЛЭП требует синхронизации всех источников и потребителей, также с увеличение расстояния увеличиваются энергопотери.
«В одной из перспективных кабельных ЛЭП изоляцией служит находящийся под относительно высоким давление газ, обладающий низкой электропроводностью. Таким газом, уже нашедшим применение в технике, является, в частности, шестифтористая сера SF6, именуемая среди электротехников элегазом. Шестифтористая сера принадлежит к числу так называемых электроотрицательных газов, отличительным свойством молекул которых является способность присоединять к себе электроны и благодаря этому превращаться в отрицательные ионы. Это приводит к уменьшению концентрации свободных электронов в газе и вследствие этого снижению его проводимости. В настоящее время трудно сделать заключение о возможных масштабах применения элегаза, но это направление в развитии ЛЭП представляет интерес». 7
Другой перспективной разработкой является криогенные и сверхпроводящие линий электропередачи. Идея криогенных ЛЭП основывается на том известном факте, что электрическое сопротивление металлов (особенно чистых) падает со снижением их температуры. Например, если чистый алюминий охладить до температуры -253°С(температура жидкого водорода), то его электрическое сопротивление уменьшится примерно в 500 раз.
Преимущества таких ЛЭП очевидны, но оборудование для поддержания состояний пригодных для работы таких ЛЭП стоят достаточно дорого, что является недостатком, так как из-за этого электроэнергия начнет сильно дорожать.
И перед тем как завершить вопрос транспортировки электроэнергии, хотелось рассмотреть еще один тип передачи энергии, а именно направленным лучом электромагнитного излучения, по сути его можно назвать электромагнитным, но его эффективность оценить достаточно сложно.
Данный тип передачи может быть полезен в случае создания мощных солнечных электростанций на околоземной орбите. И для передачи можно преобразовывать электроэнергию в электромагнитное излучение направленным пучком, а на Земле фокусировать и преобразовывать обратно.
А теперь давайте рассмотрим такую проблему, как аккумулирования энергии.
Первым видом аккумуляторов является маховик.
Он является механическим аккумулятором, так как способен накапливать механическую, а не электрическую, энергию. Запасаемая им энергия- кинетическая энергия самого маховика
Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тыс. оборотов в минуту.
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20%.
Уже давно используется такой вид аккумулятора, как электрохимический.
Электрохимический аккумулятор является одним из самых распространенных, но он имеет узкое применение в современном мире.
Аккумулятор этого типа имеет два электрода - положительный и отрицательный, погруженных в раствор - электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток. Таков процесс разрядки аккумулятора, когда он работает как источник тока. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении. Главным недостатком такого аккумулятора является его «громоздкость», то есть низкая удельная энергия (т.е отношение энергии к массе Дж/кг).
Также существуют тепловые аккумуляторы, то есть использование солнечной энергии для нагревания рабочего тела иле перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое.
Таким образом, несмотря на то, что сейчас энергетика развита неплохо, еще есть над чем работать, так как работа в этом направлении может уменьшит энергопотери, а следовательно снизить стоимость электричества.
Поэтому если мы хотим улучшить качество нашей жизни, стоит обратить внимание на проблему транспорта энергии, особенно это актуально для такой большой страны, как Россия, так как около70% нашей экономики основано на сырьевом рынке. Большинство полезных ископаемых находятся в Сибири, а для увеличения объема добываемого сырья необходимо большое количество электроэнергии.
Заключение.
В заключение хочется сказать, что, учитывая прогнозы по истощению органического топлива, а именно запасы газа и нефти с учетом современного потребления должно хватить на 100 лет, запасы угля несколько больше 300 лет, ядерного топлива не менее чем на 1000 лет, можно сказать, что традиционные источники энергии еще достаточно долго будут преобладать. Сначала перестанут использовать ТЭС на нефти и газе, так как это станет слишком дорого и невыгодно, взамен широкое распространение получат ТЭС на угле, но ближе к 2100 году уголь начнет дорожать, следовательно, лидирующим видом «классических» электростанций является атомные электростанции. Несмотря на то, что запасы ядерного топлива не так велики, по сравнению с запасами угля, из ядерного топлива можно получить в 100 раз больше энергии, чем из угля. Но существует проблема, которая препятствует атомной энергетике стать лидирующей - это захоронение отработанного топлива и, разумеется, вопрос безопасности. Например, уже сейчас в Европе хотят запретить использование АЭС, что, конечно, не уместно исходя из потребности общества в энергии.
Что касается альтернативной энергетики, она только развивается и неразумно в данный момент ожидать от нее многого. Ее развитие напрямую зависит от развития человеческого общества, так как для развития этих электростанций необходимо решить ряд технических вопросов, но отчасти она уже нашла применение и уже заинтересовала инвесторов, что ускорит ее развитие. Например, в 2008 году впервые в альтернативную энергетику инвестировали больше, чем в «классическую, обосновав это, тем что альтернативная энергетика может принести неплохую прибыль в долгосрочной перспективе, инвестировав при этом: в альтернотивную-140млрд.$, а «классическую»-110 млрд.$ 8 .
Таким образом, для гармоничного и стремительного развития не нужно сосредотачиваться только на одном виде энергетики классической или альтернативной, нужно модернизировать то, что уже у нас есть, и развивать то, что нам предстоит открыть.
2 Имеется в виду в мировой энергетике
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 5980. | Общая энергетика | 1.26 MB | |
| Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую. Механическую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энергию неупорядоченного движения молекул пара или газа. | |||
| 17392. | Альтернативная энергетика | 33.14 KB | |
| Принцип получения тепла ничем не отличается от принципа получения электрической энергии просто процесс короче на один шаг. Что объединяет малую и возобновляемую энергетику Их объединяет несмотря на принципиально разные ресурсы невозобновляемые и возобновляемые и различное влияние на окружающую среду: предназначение для непосредственного удовлетворения бытовых и производственных нужд человека и небольших коллективов в электрической и тепловой энергии... | |||
| 14669. | Энергетика является базовым звеном экономики | 45.4 KB | |
| Сложившаяся ситуация крайне неблагоприятна для Украины. Втретьих использование принципов централизации энергообеспечения становится фактором торможения энергосбережения и опасности для окружающей среды. Використання метану для виробництва тепла та електроенергії забезпечить заміщення 58 млн. Поряд з цим передбачається подальше збільшення використання природного газу малих родовищ газоконденсатних родовищ і попутного нафтового газу для виробництва електроенергії і тепла. | |||
| 16175. | Энергетика на службе модернизации: столичные реалии | 138.07 KB | |
| Превалирующей становится точка зрения состоящая в том что именно инновационная траектория движения современной экономики может стать стержневой для успешного послекризисного развития Глазьев С. Углубление таких связей может иметь стратегическое значение для активизации модернизационных процессов в экономике. Ставка на ТЭК как крупного заказчика продукции и услуг промышленных предприятий и целенаправленное использование экономических ресурсов комплекса для структурно-технологической модернизации обрабатывающей промышленности способны... | |||
| 17399. | Возобновляемая энергетика – текущее состояние и перспектива развития в России и мире | 25.68 KB | |
| Возобновляемыми называют такие источники энергии, запасы которых могут быть восполнены в природе естественным образом. Основное преимущество возобновляемой энергетики заключается в том, что она не требует использования невосполнимых природных ресурсов - нефти, угля и газа. | |||
| 14320. | Компьютерные технологии будущего | 4.18 MB | |
| Сейчас уже никогда не увидишь таким замудренным словом, как браузер, и каждый первоклашка скорей всего знает, что это такое и для чего он предназначен. Так вот браузер, считывая информацию со страниц размещенных в Интернете, отображает ее на экране монитора в том виде, в которой четко указывают ему эти самые теги. Изучить HTML нетрудно. Он намного проще любого языка программирования и на несколько порядков проще человеческих языков. Все, что от вас требуется,- изучить команды HTML, называемые тегами(tags). | |||
| 1417. | Проект «Общества будущего» в видении Вольтера | 84.61 KB | |
| Вернувшись во Францию Вольтер издал свои английские впечатления под заглавием Философские письма; книга была конфискована 1734 издатель поплатился Бастилией а Вольтер бежал в Лотарингию где нашёл приют у маркизы дю Шатлэ с которой прожил 15 лет. Будучи обвинён в издевательстве над религией в поэме Светский человек Вольтер снова бежал на этот раз в Голландию. В 1746 Вольтер был назначен придворным поэтом и историографом но возбудив недовольство госпожи Помпадур порвал с двором. | |||
| 16748. | На пути к Smart-обществу: технология будущего осмысления 2.0 | 12.73 KB | |
| В последнее время в научной среде всё чаще поднимается вопрос о формировании новой парадигмы в развитии человечества о развитии электронных технологий и создании мирового Smrt-общества. В октябре этого года прошел двухдневный Международный образовательный форум Мир на пути к Smrt-обществу в рамках которого проводилась вторая международная выставка EduTech Russi 2012 Инновационные технологии в... | |||
| 18028. | ИНТЕРЬЕР И АРХИТЕКТУРНО – ПРОЕКТИРОВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ ШКОЛЫ БУДУЩЕГО | 8.83 MB | |
| Они предназначены для развития музыкальных способностей одаренных детей и просто всех тех кто решил научиться играть музыку и относятся к внешкольным образовательным учреждениям культурно-эстетического направления. Как правило музыкальные школы обучают играть на различных инструментах имеется широкий спектр для выбора. К примеру для успешного музицирования ряд помещений должен иметь правильные акустические свойства1. Актовые залы для проведения репетиций и выступлений один из примеров таких помещений. | |||
| 16919. | КРУПНЫЙ ГОРОД КАК КЛЮЧ К ПОЗНАНИЮ БУДУЩЕГО НАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ | 18.66 KB | |
| Крупный город как ключ к познанию будущего национальной экономики а точнее к ключ обнаружению ближайших реальных возможностей и угроз в развитии национальной экономики. Первый вопрос какие факты этому способствуют общекультурные и экономические. До недавнего времени изучение крупных городов упиралось в один принципиальный вопрос: являются ли крупные города естественным фактором... | |||
Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.
Джоули из турникетов
Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.
Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.
В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.
Реферат
Энергетика будущего. Альтернативные методики будущего
План
К солнечной эре энергетики
Термоядерный синтез
Высотный ветер
Космическое зеркало
Нанотехнологические солнечные элементы
Глобальная суперсеть
Волны и приливы
Микробиологическая энергетика
Создание атомной техники по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте энергопроизводства уже очевидно, что скоро развитие земной энергетики будет сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать вне Земли. В то же время идет быстрое совершенствование процессов улавливания и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.
Еще более замечательные перспективы открываются перед солнечной энергетикой в космосе. Не случайно о развитии этого направления очень заботился, будучи руководителем советской космической программы, академик М. В. Келдыш. «На совещаниях у него, - вспоминает академик В. С. Авдуевский, - не раз рассматривались различные варианты конструкций орбитальных солнечных электростанций, способы выведения и сборки в космосе, вопросы создания пленок для солнечных батарей, проблемы преобразования энергии и передачи ее на Землю с учетом охраны окружающей среды и экономического эффекта».
В наши дни проблема овладения солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она послужила основой самого рождения научной космонавтики. Тогда К. Э. Циолковский поразился общеизвестному факту, что почти вся энергия Солнца пропадает бесполезно для людей, и целеустремленно стал искать способ овладения всей этой энергией. В результате им была создана теория реактивного движения и изобретена ракета на жидком топливе как реальное средство осуществления космических полетов. Мечта о полете к звездам превратилась в науку - теоретическую космонавтику. Опубликованную в 1912 году вторую часть своей основополагающей работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский завершил словами: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле.
Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу по мере их погасания»...
Исторический оптимизм ученья Циолковского вдохновил многих на самоотверженный труд по осуществлению его идей. А в СССР после победы Октября эти идеи получили всенародное признание, по всей стране стали возникать кружки, общества, группы по изучению межпланетных сообщений и реактивного движения. Проблеме стали уделять внимание дипломированные инженеры и ученые. Один из них, академик Д. А. Граве, в 1925 году посчитал необходимым ободрить энтузиастов космонавтики своим авторитетным приветствием, в котором писал: «Кружки исследования и завоевания мирового пространства встречают несколько скептическое к себе отношение во многих общественных кругах. Людям кажется, что дело идет о фантастических необоснованных проектах путешествий по межпланетному пространству в духе Жюля Верна, Уэллса или Фламмариона и вообще других романистов.
Профессиональный ученый, скажем, например, академик, конечно, не может стоять на этой точке зрения.
Мое сочувствие к вашему кружку покоится на серьезных соображениях. Уже пять лет тому назад я указывал на страницах газеты «Коммунист» на необходимость использовать электромагнитную энергию Солнца. При этом я руководствовался не какими-нибудь фантастическими соображениями, а неумолимой логикой совокупности фактов...
Единственный способ практического подхода к использованию электромагнитной энергии Солнца намечен русским ученым К.Э. Циолковским при помощи реактивных приборов или межпланетных аппаратов, которые вполне уже разработаны для этих целей и являются реальной действительностью завтрашнего дня. Так что организация данных кружков своевременна и целесообразна».
Сам Циолковский и его последователи, кроме исходной цели овладения энергией Солнца, выявили для космонавтики множество других, сравнительно более просто достижимых и потому более актуальных целей и задач по исследованию и освоению космического пространства в интересах науки и народного хозяйства, ставших основным стимулом для бурного развития ракетно-космической техники. Но основоположник космонавтики постоянно обращал внимание и на проблемы, связанные с решением исходной цели. Вот фрагменты его работ.
1920 год. Электрический ток можно получать в эфире теми же разнообразными способами, как и на Земле. Непосредственно с помощью солнечной теплоты, при посредстве термоэлектрических батарей. Последнее будет неэкономично, хотя со временем, может быть, найдут такие вещества для термоэлектрических батарей, которые почти всю теплоту Солнца будут превращать в электричество.
Надежнее для добывания электричества солнечные двигатели, которые могут утилизировать очень высокий процент (до 50 и более) солнечной энергии. Сущность их устройства такая же, как обыкновенных паровых двигателей с холодильником... Как и на Земле, большой многосильный двигатель почти целиком превращает свою энергию с помощью динамо-машины в электричество.
1926 год. Мы можем достигнуть завоевания солнечной системы очень доступной тактикой. Решим сначала легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости Земли, в качестве ее спутника... Поселившись тут устойчиво и общественно, освоившись хорошо с жизнью в эфире, мы уже более легким путем будем изменять свою скорость, удаляться от Земли и Солнца, вообще разгуливать, где нам понравится. Энергии же кругом великое изобилие в виде никогда не погасающего, непрерывного и девственного лучеиспускания Солнца. Этой энергии сколько угодно, и улавливать ее нетрудно в огромном количестве протянутыми от ракеты проводниками или иными неизвестными средствами...
1927 год. Солнечная энергия - главное; только мы не умеем ею пользоваться, и мешает тому еще атмосфера, ничтожное население (Циолковский считал, что население Земли в будущем должно возрасти во много раз. - Примеч. ред.), незнание и прочее. Эта энергия подобна электрической, и потому найдут средства ее почти целиком переводить в механическую, химическую и прочие виды энергии. Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом. Да и надолго ли хватит минерального горючего?
1929 год. Какие выгоды может извлечь человечество из доступности небесных пространств? Многие воображают себе небесные корабли с людьми, путешествующими с планеты на планету, постепенное заселение планет и извлечение отсюда выгод, какие дают земные обыкновенные колонии. Дело пойдет далеко не так. Главная цель и первые достижения относятся к распространению человека в эфире, использованию солнечной энергии и повсюду рассеянных масс. Из них создается сфера, которую может занять человек! На двойном расстоянии от Солнца она в 2,2 миллиарда раз больше всей поверхности Земли. Во столько же раз эта сфера получает больше и солнечной энергии сравнительно с Землей.
И вот началась предсказанная Циолковским космическая эра человечества. Хотя полеты первых спутников преследовали чисто научные цели, они вдохнули новую жизнь и в солнечную энергетику. Уже в 1958 году третий советский и первый американский спутники были оснащены солнечными батареями. С ними в реальных многомесячных условиях космического полета не мог конкурировать никакой другой источник энергии. С развитием практической космонавтики шло быстрое совершенствование и солнечных генераторов. Опыт работы орбитальной станции «Салют-6» показал, что проблема снабжения электроэнергией очень энергоемкого оборудования современных космических аппаратов за счет солнечной энергии полностью разрешена. Успехи космонавтики открыли перспективы создания в будущем грандиозных космических солнечных электростанций (КЭС) для снабжения энергией не только аппаратов и сооружений, работающих на орбитах, но и Земли.
Мы уже немного писали о проектах КЭС (см. «ТМ», № 3 за 1973 год), представляя их как возможную к 2050 году, но маловероятную из-за низкой экономической эффективности область развития космической техники. Но представления меняются. На сегодня сформировалось мнение, что энергетические потребности человечества могут сделать рентабельными КЭС уже в самом начале XXI века. В результате эта тема превратилась в одну из наиболее обсуждаемых на международных и национальных конгрессах и симпозиумах по космонавтике. Например, на Циолковских чтениях 1980 года было 5 научных докладов по КЭС.
XXVI съезд КПСС поставил задачу, с одной стороны, сосредоточить усилия на дальнейшем изучении и освоении космического пространства в интересах развития науки, техники и народного хозяйства, а с другой - увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии. Выполнение его решений, несомненно, приблизит время «солнечной эры» энергетики.
В начале февраля 2006 г. под председательством РФ в «Большой восьмерке» и в рамках Международного партнерства по водородной экономике (IPHE) состоялся всемирный форум «Водородные технологии для производства энергии», генеральным спонсором которого стали Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» и ГМК «Норильский никель».
Энергия всегда являлась важнейшим фактором существования и прогресса человеческой цивилизации. Без нее немыслима какая-либо деятельность людей, от нее решающим образом зависит экономика стран и в конечном счете – людское благосостояние. Рядовой человек настолько привык и приспособился к различным ее проявлениям, что просто не замечает проблемы, бездумно потребляя кажущиеся бесконечными ресурсы.
Однако пределы и возможности традиционных источников энергии не являются неисчерпаемыми. Об этом красноречиво свидетельствует энергетическая политика большинства крупнейших экономически развитых стран планеты, ООН и других ведущих мировых организаций. Все заинтересованные стороны уже более полувека ведут активные поиски и разработку иных, альтернативных способов получения электроэнергии и тепла.
Развитие альтернативной энергетики тесно связано с масштабными проблемами экологии. Глобальное загрязнение среды обитания, мирового океана, ужасающие цифры статистики по выбросам в атмосферу вредных соединений – все это недвусмысленно указывает на то, что в XXI веке альтернативная энергетика и экология будут неразрывно связаны между собой.
Разработка и поиск нетрадиционных источников энергии – одна из важнейших задач, стоящих перед мировым научным сообществом. От ее решения зависит экология планеты, ситуация с надвигающимся тотальным энергетическим кризисом, дальнейшее экономическое развитие стран и, как следствие, уровень жизни их населения.
Человечество давно осознало необходимость получения энергии и научилось ее использовать, приобретая осязаемые преимущества.
Использование ветровой энергии привело к появлению паруса, боевых и торговых кораблей. Возникли военные флоты, начала развиваться морская торговля.
Изобретение мельниц для производства хлеба было основано на использовании энергии воды, добываемой посредством движения водяного колеса. Их появление положительно повлияло на демографическую ситуацию стран древнего мира, резко увеличилась продолжительность жизни людей.
Использование как топлива бытовых отходов и останков вымерших растений испокон веков помогало готовить еду, послужило основой для возникновения ранней металлургии.
Затем пришли на помощь человечеству важные геологические открытия. Научно-технологический прогресс и промышленная революция привели к тому, что уже в конце XIX века основным источником для получения энергии стало углеводородное сырье. Парус, весла, мускульная сила лошадей и других животных были заменены дешевыми двигателями, сжигающими ископаемое топливо.
Экономики подавляющего большинства государств перестроились на углеводородные носители, попутно развивалась гидроэнергетика, а с середины XX века «на сцену» вышла энергетика атомная.
Такое поступательное развитие могло продолжаться и дальше, если бы уже к 60–70-м годам XX века цивилизация не столкнулась с проблемой глобального загрязнения Земли, тесно связанным с ней антропогенным изменением климата.
Современная энергетика уверенно держит пальму первенства в химическом, радиоактивном, аэрозольном и других видах загрязнения окружающей среды. Решение ее соответствующих проблем прямо скажется на положительной возможности устранения проблем экологических.
Основная сложность проблемы современной энергетики заключена в том, что эта производственная отрасль расширяется очень быстро. Для сравнения – если численность населения Земли удваивается в среднем за полвека, то удвоение потребления энергии человечеством происходит каждые 15 лет.
Таким образом, наложение темпов увеличения населения и роста энергетической сферы приводит к лавинному эффекту: потребности и требования по части энергии в пересчете на душу населения постоянно растут.
На данный момент нет никаких признаков уменьшения ее потребления. Для того чтобы эти требования постоянно удовлетворять в ближайшем будущем, человечество должно скорейшим образом ответить для себя на несколько важных вопросов:
- какое реальное воздействие оказывают на ноосферу (сферу человеческой деятельности) ключевые виды энергетики, как изменится их вклад в энергетический баланс в ближайшем и отдаленном будущем;
- как нивелировать негативный эффект от применения традиционных способов получения энергии, ее эксплуатации;
- какие существуют возможности, имеются ли доступные технологии получения альтернативной энергии, какие для этого можно использовать ресурсы, есть ли будущее у альтернативных источников энергии.
Что такое альтернативная энергетика? Под этим понятием скрывается совершенно новая отрасль, объединяющая всевозможные перспективные разработки, направленные на поиск и использование альтернативных источников энергии.
Быстрейший переход к альтернативным источникам энергии необходим в силу следующих факторов:
Государства, использующие альтернативные виды энергии, получат бесценный бонус – фактически неисчерпаемый, безлимитный ее запас, так как львиная доля этих источников возобновляема.
Основные виды альтернативных источников энергии
За последнее время практически перепробовано немало нетрадиционных вариантов получения энергии. Статистика утверждает, что речь пока идет о тысячных долях процента от потенциально возможного использования.
Типичными сложностями, с которыми неизбежно сталкивается на своем пути развитие альтернативных источников энергии, являются полные пробелы в законах большинства стран, касающихся эксплуатации природных ресурсов, как достояния государства. С отсутствием юридической проработки тесно связана проблема неизбежного налогообложения альтернативной энергетики.
Рассмотрим получившие наибольшее распространение 10 альтернативных источников энергии.
Ветер
Энергия ветра использовалась человеком всегда. Уровень развития современных технологий позволяет сделать ее практически бесперебойной.
Электричество при этом вырабатывается с помощью ветряков, похожих на мельницы, специальных устройств. Винт ветряка посредством вращающихся лопастей сообщает кинетическую энергию ветра генератору, производящему ток.
Подобные ветряные станции особенно распространены в Китае, Индии, США, странах Западной Европы. Несомненным лидером этой области считается Дания, являющаяся, кстати, пионером ветроэнергетики: первые установки появились здесь еще в конце XIX века. Дания закрывает этим способом до 25% всей потребности в электроэнергии.
Китай только при помощи ветрогенераторов сумел в конце XX века обеспечить электричеством горные и пустынные районы.
Использование энергии ветра является, пожалуй, наиболее передовым способом энергодобычи. Это идеальный вариант синтеза, в котором соединяются альтернативная энергетика и экология. Многие развитые страны мира постоянно увеличивают долю электроэнергии, полученной этим способом, в своем общем энергобалансе.
Солнце
Попытки использования солнечного излучения для получения энергии также давно предпринимались, на данный момент – это один из самых перспективных путей развития альтернативной энергетики. Сам факт того, что солнце во многих широтах планеты светит круглогодично, передавая на Землю в десятки тысяч раз больше энергии, чем потребляется всем человечеством за год, вдохновляет на активное использование солнечных станций.
Большинство самых крупных станций находятся в США, всего же гелиоэнергетика распространена почти в сотне стран. За основу взяты фотоэлементы (преобразователи солнечного излучения), которые объединяются в масштабные солнечные батареи.
Тепло Земли
Тепло земных глубин преобразуется в энергию и применяется для человеческих нужд во многих странах мира. Тепловая энергетика очень эффективна в районах вулканической активности, местах, где много гейзеров.
Лидерами этой области являются Исландия (столица страны Рейкьявик полностью обеспечивается геотермальной энергией), Филиппины (доля в общем балансе – 20%), Мексика (4%), США (1%).
Ограничение по использованию этого вида источника связано с невозможностью транспортировки геотермальной энергии на расстояния (типичный локальный источник энергии).
В России пока действует одна подобная станция (мощность – 11 МВт) на Камчатке. Ведется строительство новой станции там же (мощность – 200 МВт).
В число десяти наиболее перспективных источников энергии в недалеком будущем входят:
- солнечные станции с базированием в космосе (основной недостаток проекта – гигантские финансовые затраты);
- мускульная сила человека (востребованность, прежде всего – микроэлектроникой);
- энергетический потенциал приливов и отливов (недостаток – высокая стоимость строительства, гигантские колебания мощности за сутки);
- топливные (водородные) контейнеры (необходимость строительства новых заправок, дороговизна машин, которые будут ими заправляться);
- быстрые ядерные реакторы (топливные стержни погружены в жидкий Na) – технология крайне перспективна (возможность повторного использования отработанных отходов);
- биотопливо – уже широко используется развивающимися странами (Индия, Китай), преимущества – возобновляемость, экологичность, недостаток – использование ресурсов, земли, предназначенной для производства сельскохозяйственных культур, выгула скота (удорожание, дефицит еды);
- атмосферное электричество (аккумулирование энергопотенциала молний), основной недостаток – мобильность атмосферных фронтов, скорость разрядов (сложность накопления).
Стремительный экономический рост таких стран, как Китай и Индия, означает, что к 2030 году потребность в энергии во всем мире увеличится как минимум на 50%. Многие крупные развивающиеся экономические зоны находятся в регионах, где никогда не было инфраструктуры для поставки электроэнергии. В то же время ресурсы, традиционно используемые для производства энергии, истощаются. Все это заставляет человечество активно искать новые источники энергии - и новые способы ее передачи.
Основная задача - поиск и максимально эффективное использование возобновляемых источников энергии, а также разработка инновационных методов хранения полученной энергии, позволяющих использовать ее при отсутствии солнечного света или ветра. Важный инструмент для достижения этой цели - интеллектуальные электросети с использованием программного обеспечения, датчиков, электронных счетчиков и Интернета. Эти компоненты позволяют управлять информацией, более эффективно контролировать спрос и поставки энергии и доставлять ее туда, где она требуется в данный момент.
Представленные ниже материалы (видео, статья и инфографика) иллюстрируют значительные преобразования в энергетике и то, как эти преобразования влияют на обеспечение нашего мира энергией. Это большой шаг вперед. Изменения охватывают все аспекты, включая производство, измерение, монетизацию, потребление, контроль, хранение, торговлю и передачу электроэнергии. Какую роль в этом процессе играют интеллектуальные энергосистемы? Как платформа 3D EXPERIENCE помогает компаниям преобразовать процессы производства и поставки энергии и повысить эффективность совместной работы и инноваций?
Правда ли, что наступает эра солнечной энергетики?Наступил 2035 год. В мировых пустынях и тропиках установлены мощные солнечные батареи, собирающие энергию солнца для производства электричества, которое доставляется по современным беспроводным электросетям. Достаточные запасы энергии позволяют продолжать производство электричества после заката солнца.
В миллионах жилых домов и офисов устанавливаются недорогие и экономичные солнечные панели и оснащенные солнечными батареями окна, вырабатывающие небольшое количество энергии в дневные часы. Еще в 2010 году ведущие мировые производители, включая Audi, BMW, Toyota и Honda, разработали экологичные автомобили, работающие на водородном топливе. Водородное топливо создается с использованием солнечной энергии путем расщепления излишков воды на водород и кислород. А когда наступает ночь, на звездном небе мерцают гигантские орбитальные спутники с солнечными батареями, ежедневно и круглосуточно собирающие солнечную энергию в космическом пространстве и передающие ее на наземные приемные устройства с помощью микроволн или лазерных лучей.
Фантастика? Отнюдь. Идея использования солнечной энергии - одного из важнейших энергоресурсов на Земле - зародилась задолго до появления угрозы климатических изменений и истощения легко добываемых органических топливных ресурсов. Первая солнечная батарея была создана в 1883 году, а в 1941 году писатель Айзек Азимов опубликовал рассказ "Логика" (Reason), в котором описывалась космическая станция, излучающая большие объемы солнечной энергии посредством микроволновых импульсов. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер решил воплотить мечты Азимова в жизнь, но его планам не суждено было осуществиться из-за технологических ограничений того времени.
Но технологии получения солнечной энергии применяются уже сегодня, несмотря на мнения критиков, утверждающих, что мировая солнечная энергетика никогда не сможет решить проблемы передачи энергии на большие расстояния из более солнечных в менее солнечные регионы или изобрести решения для хранения, позволяющие генерировать энергию после наступления темноты.
Например, в Китае уже строятся высоковольтные линии электропередач для обширного распространения энергии, вырабатываемой новыми солнечными электростанциями. Только в течение первых трех месяцев 2015 года это государство добавило в свою энергосистему несколько солнечных электростанций мощностью 5 гигаватт, что эквивалентно совокупному объему энергии, вырабатываемому в одной из ведущих в этом области страны Европы - Франции.
Системы хранения энергии уже используются по всему миру, и в них успешно применяются две технологии. В одних системах солнечная энергия используется для создания расплавленных солей, обладающих свойством удерживать тепло. Так обеспечивается достаточное количество энергии для вращения турбин электрогенераторов в ночное время. На других электростанциях солнечные лучи вызывают сжатие газа, который возвращается в исходное состояние после наступления темноты и поддерживает вращение турбин.
Взгляд вверхКосмос - радикальный ответ на вопрос о том, как будет вырабатываться энергия после захода солнца, ведь в космосе не существует таких понятий, как закат и рассвет. Китай и Япония планируют запустить первые космические электростанции (SBSP) в 2030 году, и вероятно, это будут одни из самых масштабных проектов в истории. "Экономически целесообразная космическая электростанция должна быть огромной. Общая площадь ее солнечных панелей составит от 5 до 6 кв. км", - поясняет Ван Сидзи (Wang Xiji), академик Китайской Академии наук.
Но зачем строить электростанции в космосе? Основная причина - значительно более высокая концентрация солнечного излучения в космическом пространстве. Более 60% солнечной энергии теряется в процессе ее отражения и поглощения атмосферой Земли, а в космосе она доступна в полном объеме и круглосуточно. "Космические солнечные панели могут вырабатывать в десять раз больше электричества, чем наземные панели такой же площади", - отмечает космический инженер Дуань Баоянь (Duan Baoyan).
Разработка SBSP сопряжена со значительными трудностями, одна из которых - необходимость обеспечивать сверхточную передачу энергии. В противном случае мощный блуждающий луч энергии может выжечь обширные поверхности Земли. "Когда энергия передается посредством микроволновых импульсов, очень сложно направить ее поток так, чтобы он попал точно на наземный приемник. Передачу микроволн с высоты 36 000 км на плоскую поверхность диаметром 3 км можно сравнить с продеванием нитки в иголку", - говорит Ясуюки Фукумуро (Yasuyuki Fukumuro) из японского аэрокосмического агентства JAXA.
Японская корпорация Shimizu предлагает еще более невероятную альтернативу - полосу солнечных батарей шириной 400 км, которая размещена вокруг экватора Луны и длина которой составляет 11 000 км. Эта энергосистема, опоясывающая Луну, могла бы вырабатывать столько энергии, что все мировые потребности были бы удовлетворены в одно мгновение.
Затруднения связаны также с обслуживанием систем в опасных условиях космоса и выводом станций SBSP на орбиту. Вес коммерчески целесообразной космической электростанции составил бы более 10 000 тонн, в то время как современные ракеты рассчитаны на полезную нагрузку чуть более 100 тонн.
Строительство станций SBSP сопряжено с огромными сложностями, которые сравнимы с тем, что приходилось преодолевать 60-х годах прошлого века людям, впервые вышедшим в космос. Тогда многие сомневались в том, что людей вообще стоит отправлять в космос, однако технологические и научные преимущества, полученные после преодоления этих трудностей, не теряют своей важности для современного мира.
Наземное дистанционное управлениеНо несмотря на то, что станции SBSP создают площадку для развития новых технологий, все они строятся на земле, а ведь именно в ней заложен настоящий потенциал. Правда в том, что мощность достигающей поверхности Земли солнечной энергии - даже ослабленной атмосферой - во много раз превосходит потребности человечества. В 2015 году ведущие британские эксперты по энергетике обнародовали программу Global Apollo, утверждая, что солнце посылает на Землю в 5000 раз больше энергии, чем в данный момент требуется людям.
Более того, производство электричества на основе солнечной энергии с каждым годом становится все дешевле. Стоимость современных солнечных панелей снизилась до 1/20 от их стоимости 25 лет назад, в то время как эффективность, наоборот, возросла. Современные полупроводниковые солнечные панели преобразуют в электричество около 20% всего попадающего на них солнечного света - в три раза больше, чем раньше. Новые панели, изготовленные из таких композитов, как арсенид галлия, который обладает более высокой электрической проводимостью по сравнению с кремнием, позволят достичь еще более впечатляющих результатов. И это несмотря на то, что эффективность солнечных панелей ограничивается различными физическими факторами. К этим факторам относится, например, потеря энергии при отражении и ее частичное поглощение проводящими материалами (предел Шокли-Квейссера).
Так почему же солнечная энергетика на сегодняшний день обеспечивает всего 1% от мировой потребности в электричестве? Согласно программе Global Apollo и отчету MIT о будущем солнечной энергии за 2015 год, основное ограничение заключается не в технологиях, а в политической инертности, которая поддерживается в основном интересами гигантских корпораций, производящих органическое топливо. Кроме того, сказывается нехватка инвестиций. В этих отчетах показано, как огромные мировые субсидии скрывают настоящую стоимость электроэнергии, производимой на основе органического топлива, и как в эту стоимость безуспешно пытаются включить стоимость устранения экологических проблем и проблем здравоохранения, связанных с этими источниками энергии.
По мнению Стефана Декле (Stéphane Declée), вице-президента направления Энергетика, переработка, ЖКХ в корпорации Dassault Systèmes, еще одна причина сводится к "отсутствию согласованности между законодательными органами, регуляторами и технологическими лидерами".
"Наши клиенты вынуждены адаптироваться к меняющимся требованиям регуляторов. С помощью платформы 3D EXPERIENCE поставщики солнечной энергии смогут продемонстрировать жизнеспособность и надежность своих решений множеству заинтересованных лиц, включая регуляторов, финансовые организации, население и СМИ".
По словам Декле, ситуация усложняется тем, что "по мере роста доли промежуточных возобновляемых источников энергии, включая солнечную, объемы производства энергии не всегда совпадают с периодами высокого спроса". В качестве решения Декле предлагает разрабатывать системы, позволяющие лучше контролировать спрос (например, интеллектуальные энергосистемы), и системы, обеспечивающие более гибкий спрос на промежуточные источники, например, за счет частичного сохранения возобновляемой энергии для будущего использования.
