Геотермальная энергия

Альтернативные источники энергии

Реферат

Россошь

Оглавление

Введение………………………………………………………………...…………3

§1. Энергия ветра. Ветряные мельницы……………..………………………….4

1.1. История возникновения………………………………….…...…………...…5

1.2. Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов……......….....6

§2. Солнечная энергия……………………………………………………………7

2.1. Варианты использования солнечной энергии………………….…………..9

2.1.1. Как устроены и работают солнечные батареи……………………………9

2.1.2. Полимерные солнечные батареи…………………………………………10

2.2. Космическая солнечная электростанция…………………………………..12

§3. Геотермальная энергия……………………………………………………...14

3.1. Принцип работы геотермальных электростанций……...………………...15

3.2. Виды геотермальный электростанций……………………………….…….16

Заключение……………………………………………………………………….17

Терминологический словарь……………………………………………………18

Список литературы………………………………………………………………20

Введение

В современном мире, с растущими показателями потребления и как следствие – ограниченными энергоресурсами, стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из альтернативных, возобновляемых источников.

Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе. Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы энергоснабжения уже существующих объектов[6].

Целью данного реферата является ознакомление с этими источниками энергии. Обнаружить преимущества и их недостатки.

Задачи для реализации поставленной цели:

ü Изучить научную литературу;

ü Обобщить изученный материал;

ü Систематизировать полученные сведенья и оформить реферативную работу.

Человечество использует для выработки энергии не возобновляемые источники энергии – уголь, газ, нефть, запасов которых может не хватить уже для живущего поколения. Практически любые природные факторы можно превратить в энергию: солнце, ветер, движения воды, тепло недр, разложение биомассы. Энергия воды – приливная, напорная, геотермальные источники сложны в реализации технически, возможны проблемы с использованием недр за границами участка. Вопрос использования природных ресурсов не проработан на законодательном уровне. Согласно действующего законодательства все природные ресурсы принадлежат государству. Поэтому даже использование энергии солнца может теоретически облагаться налогом.

Ветряные мельницы

Многие страны стремятся обрести энергетическую независимость и постепенно внедряют новые способы получить электричество. Например, с помощью ветра, ведь запасы нефти и газа не бесконечны…

Последний опубликованный доклад Национальной академии наук США полностью посвящен проблемам ветряной энергии и ее возможностям для развития мировой экономики. Результаты исследований американских энергетиков впечатляют – согласно полученным данным даже с учетом всех погрешностей и невысокого КПД, ветряные электростанции могут обеспечить энергией весь земной шар.

Ученые изучили небольшой участок местности, площадь которого была равна 3300 квадратным километрам. На протяжении целого года они измеряли скорость и направление дующих там ветров каждые шесть часов. Постепенно была составлена динамическая карта движения воздушных масс над выбранным регионом.

В полученную модель исследователи поместили турбину мощностью 2,5 мегаВатт, а затем изучили эффективность ее работы в разных условиях ландшафта. Так, на карту последовательно помещались лесной массив, ледник, огромное озеро и городские застройки.

Расчеты показали, что вырабатываемая энергия такой установки может покрыть нужды всей исследуемой области, вне зависимости от того, какие потребители в ней представлены.

А еще ученые обнаружили, что наибольшая эффективность достигается от «ветряков», расположенных на морском побережье. Для этого была исследована прибрежная полоса шириной 250 километров – 50 километров суши и 200 километров над океанской поверхностью. Интенсивность и скорость ветров в этой зоне оказались таковы, что гипотетическая турбина мощностью 3,6 мегаВатт работала беспрестанно.

Подводя итоги изучения ветряной энергии, исследователи говорят, что даже точечная установка ветряных станций позволит произвести электроэнергии в 40 раз больше потребностей человечества[3]!

Крупные энергетические компании давно поняли, что «ветряки» позволяют добывать недорогую электроэнергию без малейшего вреда для окружающей среды. Вместе с тем, ветряная станция отличается невысокой ценой и может полностью окупить себя за очень короткие сроки.

1.1. История возникновения

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра.

Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1970-х после нефтяного кризиса 1973 года. Кризис продемонстрировал зависимость многих стран от импорта нефти и привел к поиску вариантов снижения этой зависимости. В середине 1970-ых в Дании начались испытания предшественников современных ветрогенераторов. Позднее чернобыльская катастрофа также стимулировала интерес к возобновляемым источникам энергии. Калифорния осуществила одну из первых программ стимулирования ветроэнергетики, начав предоставление налоговых льгот для производителей электроэнергии из ветра[8].

1.2. Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

· Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, башня от сильного порыва ветра может упасть.

· Обледенение лопастей и других частей генератора способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора.

· Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.

· Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом.

· Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.

· Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар.

· Удары молний. Удары молний могут привести к пожару.

· Шум и вибрация. [5]

Солнечная энергия

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

Прежде всего, напомним, что энергия солнечного излучения может использоваться разными способами. В основном, это три: пассивное тепло, которое греет нас, предметы и здания; солнечное тепло в коллекторах для нагрева горячей воды и отопления; использование солнечной энергии для создания электричества, в которой не прямой, а только дневной свет, чтобы генерировать электричество.

Нас будет интересовать третий из названных способов и в связи с этим, немного теории.

Фотовольтаические системы используют ячейки, преобразующие солнечное излучение в электричество. Система состоит из одного или двух слоев полупроводниковой структуры. Когда свет падает на ячейки - это создает электрическое поле, которое проникая через слои, вырабатывает электричество. Чем больше интенсивность света, тем больше поток электричества.

Система не нуждается в ярком солнечном свете чтобы работать. Она может генерировать электричество даже в облачные дни. Из-за отражения солнечного света, в слегка облачные дни можно даже получать более высокие энергетические урожаи, чем в дни с абсолютно безоблачным небом.

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 [7].

2.1. Варианты использования солнечной энергии

2.1.1. Как устроены и работают солнечные батареи

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях.

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: солнечной батареи, аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина, максимально возможного тока, отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т.е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока, а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается, и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей, можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в различную портативную технику, энергосберегающие источники света[4].

2.1.2. Полимерные солнечные батареи

Солнечные батареи хоть и экологически чистые, но при этом – весьма дорогие. Ученые нашли им альтернативу – полимерные солнечные батареи.

Человек, хотя бы немного интересующийся солнечной энергетикой, прекрасно представляет себе, что такое солнечная батарея – это совокупность большого количества фотоэлементов, укрепленных на какой-либо поверхности.

Фотоэлемент представляет собой полупроводниковое устройство, которое преобразует энергию Солнца в электрический ток. Фотоэлементы «традиционных» солнечных батарей производят из кремния. Процесс производства таких батарей сложен и весьма дорог. Несмотря на то, кремний - это очень распространенный элемент и что в земной коре содержится около 20% кремния, процесс превращения исходного песка в высокочистый кремний очень сложен и дорог.

Кроме того, порой возникают проблемы с утилизацией отработанных фотоэлементов, поскольку в этих фотоэлементах помимо кремния содержится еще и кадмий. И наконец, кремниевые фотоэлементы по мере работы сильно нагреваются. После чего их производительность начинает снижаться. Поэтому кремниевым батареям помимо фотоэлементов требуются еще и дорогостоящие системы охлаждения. Все это заставило ученых искать более эффективные способы преобразования солнечной энергии.

Полимерный фотоэлемент – это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой.

Достоинства полимерных солнечных батарей по сравнению с обычными кристаллическими: компактность, легкость, гибкость. Такие батареи недороги в производстве (для их изготовления не используется дорогой кремний) и экологичны, так как они оказывают на окружающую среду менее значительное влияние.

Недостаток пока один – эффективность преобразования солнечной энергии полимерных солнечных батарей пока очень низкий. Этот недостаток и ограничивал создание таких батарей на уровне образцов-прототипов.

В настоящее время, наибольший коэффициент полезного действия полимерных солнечных батарей удалось добиться Алану Хигеру из центра полимеров и органических твёрдых частиц университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Кванхе Ли из корейского института науки и технологии в Гванджу.

Первые полимерные батареи в промышленных масштабах начали выпускать в Дании [4].

2.2. Космическая солнечная электростанция

Писатели-фантасты подчас изобретают проекты, которые на много лет опережают развитие техники. Жюль Верн уже в своей первой повести описал воздушный шар, подъем которого можно менять с помощью нагрева газа – сейчас такие аэростаты летают по всему миру. Любимый в России британский фантаст Артур Кларк в 1945 году предложил запускать на геостационарные орбиты спутники связи, а девятью годами позже указал на возможность использования космических аппаратов для предсказания погоды. Обе идеи давно воплощены на практике с великой пользой для человечества.

Классик американской научной фантастики Айзек Азимов тоже побаловал читателей множеством блестящих технических прогнозов. Один из них содержится в коротком рассказе Reason, который появился в 1941 году (на русском языке он впервые был опубликован в культовом сборнике «Я, робот» под заголовком «Логика»).

Действие происходит на одной из космических станций, снабжающих энергией нашу планету. Ее шарообразный корпус окружен панелями с фотоэлементами, которые преобразуют солнечные лучи в электрический ток, питающий исполинский генератор микроволнового излучения. Оно тонким лучом посылается на приемную станцию на Земле и там вновь переводится в электричество.

Весьма возможно, что всего через семь лет эта идея станет реальностью. Ее намерена осуществить калифорнийская фирма Solaren Corporation, созданная группой инженеров аэрокосмической промышленности. Руководители Solaren полагают, что со временем ее спутники смогут генерировать от миллиона 200 тысяч до 4, 800 млн киловатт – это вполне соответствует возможностям одной-трех современных атомных электростанций.

Как же будет выполняться это чудо-проект? Solaren ведет речь о нескольких спутниках, запущенных на пролегающие над экватором круговые геостационарные орбиты высотой около 36 тыс. км. Спутники развернут зеркала многокилометровых размеров, изготовленные из тонкой блестящей пленки. Эти рефлекторы будут собирать солнечные лучи и направлять их на батареи фотоэлементов – в точности, как в рассказе Азимова. Затем солнечная энергия будет преобразована в электромагнитное излучение и направлена на антенны наземной приемной станцию – опять-таки в полном соответствии с сюжетом фантаста.

Фирма утверждает, что ее спутники смогут снабжать солнечной электроэнергией 250 тыс. жилых домов в округе Фресно. При этом объявленная цена проекта не так уж и велика: 2 млрд. долларов. Solaren уверена, что себестоимость космической энергии не превысит цену электричества от ветрогенераторов и наземных солнечных станций.

Похожий проект сейчас разрабатывает и другая американская фирма Space Energy. Подумывают об этом и в Стране Восходящего Солнца. Японское Управление по исследованию космического пространства недавно приступило к испытаниям прототипа излучателя, который сможет передавать на Землю солнечную энергию в виде микроволн. Если тестирование пройдет успешно, агентство приступит к планированию искусственных спутников, которые смогут поставлять электричество полумиллиону домов. Правда, японцы не рассчитывают запустить первый такой сателлит ранее 2030 года[10].

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия – это энергия тепла, которое выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. По данным геолого-геофизических исследований, температура в ядре Земли достигает 3 000-6 000 °С, постепенно снижаясь в направлении от центра планеты к ее поверхности. Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра.

Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км, в океанах – в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км вероятное значение температур на континентах составляет 600-800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С.

Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Сейчас геотермальную энергию эффективно используют такие страны, как США, Италия, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь внутреннее земное тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 °С и часто вырывается наружу как тепло фонтанирующих источников, например, знаменитые гейзеры Йеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии. [1]

Геотермальные источники энергии подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважину, которая является важным источником энергии для электрической железной дороге в Италии, с 1904 г. питает сухой горячий пар. Два другие известные в мире места с горячим и сухим паром – поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле Сан-Франциско, где также давно и эффективно используют геотермальную энергию. Больше всего в мире влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля чуть меньшей мощности - в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России.

Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:

• поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;

• энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии;

• теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);

• энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами. [9]

3.1. Принцип работы геотермальных электростанций

Геотермальная электростанция (ГеоТЭС) – вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Схема работы геотермальной электростанции достаточно проста. Вода, через специально пробуренные отверстия, закачивается глубоко под землю, в те слои земной коры, которые естественным образом довольно сильно нагреты. Просачиваясь в трещины и полости горячего гранита, вода нагревается, вплоть до образования водяного пара, и по другой, параллельной скважине поднимается обратно. После этого горячая вода поступает непосредственно на электростанцию, в теплообменник, и её энергия преобразуется в электрическую. Это происходит посредством турбины и генератора, как и во многих других типах электростанций. В другом варианте геотермальной электростанции, используются природные гидротермальные ресурсы, т.е. вода, нагретая до высокой температуры в результате естественных природных процессов. Однако область использования подобных ресурсов значительно ограничена наличием особых геологических районов. В этом случае в теплообменник поступает уже нагретая вода, выкачанная из земных недр. В другом случае - вода в результате высокого геологического давления, поднимается самостоятельно, через специально пробуренные отверстия. Это, так скажем, общий принцип работы геотермальной электростанции, который подходит для всех их типов[11].

3.2. Виды геотермальный электростанций

По своему техническому устройству, геотермальные электростанции подразделяются на несколько видов:

· геотермальные электростанции на парогидротермах - это электростанции, в которых используется уже нагретая природой вода;

· двухконтурная геотермальная электростанция на водяном паре. В таких электростанциях имеется специальный двухконтурный парогенератор, позволяющий генерировать "добавочный" пар. Иными словами, на "горячей" стороне парогенератора используется геотермальный пар, а на "холодной" его стороне генерируется вторичный пар, полученный из подведенной воды;

· двухконтурная геотермальная электростанция на низкокипящих рабочих веществах. Область применения таких электростанций - использование очень горячих (до 200 градусов) термальных вод. [1]

Заключение

Без энергии жизнь человечества немыслима. Люди 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.

В данном реферате мы познакомились только с тремя альтернативными источниками энергии, но нельзя думать, что это они все. Биотопливо, гелиоэнергетика, альтернативная гидроэнергетика, грозовая энергетика, управляемый термоядерный синтез и многое другое, являются не традиционными способами получения энергии. Но к сожалению, автор посвятил реферат более известным альтернативным источникам энергии, а этими пренебрёг.

В ходе работы над рефератом были рассмотрены разные способы получения энергии. Были представлены их плюсы, которые заключались в том, что альтернативные источники энергии являются возобновляемыми и не несут вреда окружающей среде. Но также были представлены и минусы, которые заключались в дорого стоимости материалов для строительства приборов, которые преобразовывают энергию, в долгой и тяжёлой подготовке места для строительства, проблемы эксплуатации.

В ходе работы над рефератом была изучена научная литература, систематизирован материал и оформлена данная работа.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: