НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»
НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Конспект лекций
для магистрантов научно-педогагического направления
специальности 6М071800 – Электроэнергетика
Алматы 2010
СОСТАВИТЕЛЬ: А.В. Болотов. Научно-технические проблемы электроэнергетики. Конспект лекций для магистрантов специальности 6М071800– Электроэнергетика – научно-педогагического направления – Алматы: АУЭС, 2010.- 38 с.
В конспекте лекций по дисциплине «Научно-технические проблемы электроэнергетики» показана неразрывная связь системы «энергетика-экономика-экология», необходимость развития энергетики путем вовлечения в энергетический баланс альтернативных, возобновляемых и неисчерпаемых ресурсов.
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. Энерго - экологические проблемы современности 4
Лекция 2. Проблемы атомной энергетики 9
Лекция 3. Энергетика на неисчерпаемых ресурсах 13
Лекция 4. Автономная энергетика, перспективы, проблемы 18
Лекция 5. Энергетика подвижных объектов, электромобиль 24
Лекция 6. Тепловая энергия Океана 29
Лекция 7 Электростанции вне Земли 31
Лекция 8. Новые ресурсы энергетики, использование тепла земли, 33
Список литературы 37
Лекция 1. Энерго - экологические проблемы современности
Содержание лекции: проблемы современной энергетики: дефицит и рост стоимости энергии, политизация, международная торговля энергией и энергетическими ресурсами, вред среде обитания, стремление потребителей к независимости от монополий, децентрализация, ввод в оборот новых энергетических ресурсов, создание автономных энергосистем для конкретных объектов.
Цель лекции: показать причины возникновения проблем энергетики и экологии, определить возможные пути их решения.
Развитие человеческого общества всегда было противоречивым. Оно постоянно сопровождалось не только установлением гармоничной связи с природой, но и разрушительным воздействием на неё. Охрана природы до недавнего времени была делом отдельных лиц и общественных организаций, а экология первоначально не имела никакого отношения к охране природы. Резкая перемена произошла в силу двух взаимосвязанных обстоятельств, характерных для второй половины прошлого века: роста населения Земли и научно-технической революции. Быстрый рост населения Земли сопровождался изъятием у природы огромных территорий под жилые дома и общественные учреждения, дороги, аэропорты и пристани, посевы и пастбища. Сотнями квадратных километров вырубались леса, степи и прерии превращались в пустыни. Одновременно с демографическим взрывом произошла и научно-техническая революция. Человек освоил ядерную энергию, ракетную технику, вышел в космос. Он изобрел компьютер, создал электронную технику и промышленность синтетических материалов. Демографический взрыв и научно-техническая революция привели к колоссальному увеличению потребления природных ресурсов. При высоких темпах потребления стало очевидным исчерпание многих природных ресурсов в ближайшее время. Одновременно отходы гигантских производств стали все больше загрязнять окружающую среду, разрушая здоровье населения. Антропогенное воздействие на природу достигло таких масштабов, что возникли проблемы разрушения среды обитания глобального характера, о которых в начале ХХ века никто не мог даже подозревать.
Прирост населения Земли составляет 3 человека в секунду. Население Земли достигло 6,89 миллиардов человек и, согласно прогнозам экспертов, через 50 лет на Земле будут проживать 9,1 миллиардов человек.
В результате интенсивного развития экономики и материальной культуры в ХХ веке при росте численности населения в 3,8 раза в мире произошло 15 кратное увеличение потребления энергетических ресурсов, среднее потребление энергии на душу населения также возросло - почти в 4 раза, составив около 1,5 т. нефтяного эквивалента на человека в год. Увеличение производства энергии привело к вовлечению в оборот новых объемов первичных энергетических ресурсов, их добычу, переработку, транспортировку, наращиванию структуры транспортных магистралей, как по первичным ресурсам, так и по линиям передач электроэнергии.
В это же время экономика развивающихся стран и депрессивных регионов других стран сильно отстает от экономик развитых стран.
На долю аграрных стран и регионов приходится свыше 90% сельского населения мира, но, как ни парадоксально, они не в состоянии обеспечить себе достойный уровень жизни. Необходимость осваивать новые технологии, развивать промышленность требует энергии и участия в мировой торговле, однако по ряду причин это им затруднительно. Некоторые из этих стран обладают огромными запасами нефти, но не в состоянии обратить их в свою пользу, не имея доступа к электроэнергии.
Ситуация в мире характеризуется следующими данными:
-1,3 млрд. людей, которые живут меньше чем на 1 доллар в день;
-1,5 млрд. людей испытывают перебои с безопасной питьевой водой;
- 2,0 млрд. людей не имеют доступа к электричеству.
Устранение отставания отдельных регионов и развивающихся стран, сохранения среды обитания необходимо всем, в том числе и самым развитым странам и городам. Это во многом определяет судьбу человечества, глобальную миграцию населения в поисках благоприятных условий жизни, доступа к энергии, воде, продуктам и цивилизации.
В нашем индустриальном обществе от энергии зависит всё. С её помощью движутся поезда, автомобили, улетают в космос ракеты. С её помощью можно сварить и обработать металл, приготовить пищу, обогреть жилище и привести в действие кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли, пользоваться компьютером, телевизором и радиотелефоном.
Производство и использование электрической, тепловой и механической энергии, является необходимым средством для существования и развития человечества. В быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошли тепловая и электрическая энергия, что человек даже и не мыслит своего существования без них. К сожалению, сегодня человек уже не замечает своей абсолютной зависимости от электроэнергии, а значит, и от ее источников, которые иногда просто подводят в самый неподходящий момент. Ярким примером могут служить аварии на электростанциях, когда города на несколько часов остаются без «света». Панический страх, свет фонариков и полная беспомощность – вот что значит оказаться без поддержки энергии на час-другой. Жаль, но у человека не всегда хватает времени подумать, что же будет дальше и как предотвратить катастрофические последствия.
Во второй половине XX века экологи планеты серьезно обеспокоились проблемами, связанными с привычными способами добычи электроэнергии – уничтожением экосистем гидроэлектростанциями, разливами нефти на поверхность воды и суши, утилизацией радиоактивных отходов АЭС. Вдобавок, ситуацию усугублял тот факт, что запасы ископаемых источников энергии (нефть, газ), цены на которые растут не по дням, а по часам, через пару десятков лет вовсе могут иссякнуть, а вред нанесенный ими сохранится на долгий период и долго будет разрушать среду обитания.
Все больше и больше заостряется внимание на экологическом аспекте энергетики, ее безопасности, использовании чистых производств энергии и экономичных технологий ее применения.
Современный период развития человечества характеризуется через три «Э»: «Энергетика, Экономика, Экология». Энергетика в этом ряду занимает особое место. Она является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные дожди, всеобщее загрязнение среды обитания и другие) прямо или косвенно связаны с добычей, производством, транспортом энергоресурсов, либо с использованием энергии. Непредсказуема тяжесть последствий от разливов нефти в Мексиканском заливе и на других участках мирового океана.
Дефицит энергии и ограничения в ее потреблении являются важными проблемами современной энергетики, сильно влияют на экономику.
Практикующиеся отключения потребителей, якобы из-за неуплаты за электроэнергию и топливо, плюс ограничения «в связи с необходимостью экономии энергоресурсов», плюс перерывы в энергоснабжении из-за аварийных отключений и «веерные» отключения, дезорганизуют жизнь городов и регионов, приносят огромный экономический ущерб.
По оценкам среднемноголетних потерь в сельском хозяйстве, а также в непрерывных производствах обрабатывающей промышленности, ущерб от недопоставки электроэнергии в 25-30 раз превышает стоимость недопоставленного количества энергии и не компенсируется энергоснабжающими организациями.
В Казахстане насчитывается большое количество крестьянских хозяйств, основная часть которых (90% по данным НПЦ механизации) не имеет доступа к централизованному электроснабжению. Содержание сельских электрических сетей большой протяженности, равно как и значительные (25-30%) потери электроэнергии в них значительно повышают стоимость электроэнергии у потребителей, что делает энергоснабжение их не рентабельным.
В прошедшие годы часть сельских электросетей пришла в негодность или демонтирована, и восстановление этих сетей так же нерентабельно. Увеличилось, количество так называемых, автономных объектов, не имеющих связи с централизованной энергетической системой или присоединенных слабой сетью к дефицитной энергосистеме в условиях возможности частых, внезапных и длительных перерывов в подаче электроэнергии.
В связи с этим мощность, необходимая для покрытия дефицита энергии по отдаленным объектам, оценивается на уровне 150–170 МВт с перспективой дальнейшего увеличения. Электроснабжение отдаленных объектов является серьёзной проблемой современной энергетики и не решается с использованием традиционных энергетических систем, какое развитие они бы не получали.
За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена используемых источников энергии и орудий производства новыми, более совершенными. И не потому, что старый источник был исчерпан.
Солнце светило и обогревало всегда и, тем не менее, люди приручили огонь, начали жечь древесину. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного топлива. Древесина уступила место каменному углю. Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти и газу. И вот новые условия: за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю, в глубины океана. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить все дороже, сопровождаться пагубными последствиями. Когда стоимость добычи нефти станет соизмерима или выше стоимости полученной из нее энергии, по сравнению со стоимостью энергии, полученной из других источников, использование нефти прекратится.
Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут неисчерпаемые, возобновляемые и ядерные источники. Дефицита энергии по первичным ресурсам на Земле не существует. Нехватка энергии у потребителя определяется только способами ее получения, доставки и использования.
Научно-технические проблемы энергетики предусматривают вовлечение в энергобаланс новых первичных энергетических ресурсов, совершенствование существующих способов получения электрической энергии, создание новых, совершенствование существующих способов передачи и использования энергии электроприемниками. Имеются огромные и пока неиспользуемые возможности сокращения энергопотребления при сохранении комфортных условий проживания человека путем использования энергоэффективного оборудования и соблюдения дисциплины энергопотребления.
Говоря о производстве электроэнергии, следует отметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее пока нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар. Существует фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших объемах, которая сейчас успешно решается для подвижных потребителей и есть основания полагать, что она будет решена в ближайшем будущем для большой энергетики.
Сегодня мир вошел в состояние глобального энергоэкологического кризиса, имеющего следующие причины и предпосылки.
Разрыв между спросом и предложением. С 1900 года по 2000 год спрос на энергию увеличился в 15 раз и к 2030 году увеличится еще в 2 раза по сравнению с 2000 годом.
Ограничение запасов нефти и короткие сроки их исчерпания. По мере истощения богатых и доступных нефтяных запасов издержки добычи будут расти, следовательно, будут расти цены на энергию. Нефть и газ становятся геополитическими факторами. Снижение поставок нефти всего на 15% способно парализовать экономику всех промышленно развитых стран.
Стоимость ликвидации от последствий аварий больше прибыли энергодобывающих компаний и носят масштабы глобальной катастрофы - аварии АЭС на «Острове трех миль» США,1979, в Чернобыле СССР, 1986, разлив нефти в Мексиканском заливе, Каспийском море. За киловатт – часы платят жизнью миллионов людей или гибелью животного мира…...
Ущерб от глобального потепления будет обходиться человечеству в 1 трлн. $ в год. По приблизительным оценкам экспертов, стоимость внешнего ущерба окружающей среде от угольной энергетики только в Казахстане оценивается в 7,7 тенге за каждый кВт.ч электроэнергии. Беспечное управление энергетикой ложится неподъемным грузом на потребителей и все живое на Земле.
Ближний Восток - основной поставщик нефти и источник военных конфликтов, трубопроводы и места добычи углеводородов - потенциальная и весьма уязвимая цель для террористов.
Ископаемые ресурсы ограничены - среднеарифметические показатели бесперебойной поставки нефти - 40 лет, урана – 50, газа – 60, угля - чуть более 150 лет. Общий вывод ископаемое топливо не имеет «вечной перспективы».
В ближайшие 25 лет главными тенденциями в энергетике будут:
- рост спроса на первичные энергоресурсы;
- расширение рынка энергоресурсов и энергии;
- рост цен на ископаемые ресурсы, повышение тарифов на электроэнергию и тепло;
- тенденции к энергосбережению, оптимизация энергопотребления;
- совершенствование технологии переработки получения энергии из углеводородов и урана;
- увеличение доли автономной децентрализованной энергетики в суммарном объеме генерации электроэнергии в мире;
– переход на использование неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов.
Развитие каждой из этих тенденций имеет свои внутренние научно – технические проблемы.
Измерения показывают, что за последние 20 лет концентрация углекислого газа возросла на 30% от естественного уровня. Океаны и наземные растения могут поглотить лишь 40% выбросов углекислого газа, производимого при сжигании нефти, угля и природного газа, а 60% выбросов накапливаются в атмосфере. Мировая энергетическая система выбросит к 2050 году в атмосферу 400 Гт углерода и увеличит его содержание с 750 до 1000 Гт. Мы переносим в атмосферу и океаны углерод, накопленный в недрах земли за сотни миллионов лет, и возникающий при этом парниковый эффект создает большие проблемы. Изменение свойств атмосферы, являющееся глобальной катастрофой, оказывает серьезнейшие воздействия на все, живущее на Земле. Все, что сегодня происходит на планете и следующее за этим изменение климата можно назвать «ПАРНИКОВЫМ ПЕРИОДОМ». И то, что следует за ним разрушение цивилизации можно прогнозировать с достаточной степенью уверенности.
Но парниковый эффект это лишь часть возможного пагубного воздействия на поверхность Земли и, вполне вероятно, что существуют и другие последствия, о которых мы еще не знаем. Загрязнение окружающей среды уже достигло глобальных масштабов и требует срочных мер. Возможное средство здесь - создание циклических, замкнутых производств (по образцу природных процессов), где бы отбросы полностью отсутствовали. Но подобные установки требуют все того же - энергии! Поэтому надо как можно быстрее переходить на другие, экологически чистые источники энергии, вырабатывающие энергию, которая так необходима человеку, без вреда для окружающей среды. В этой связи всемерное развитие неисчерпаемых и возобновляемых источников энергии является экономической и экологической альтернативой ископаемой электроэнергетике.
Как показывает ряд исследований, доля НИЭ и ВИЭ в мировом энергетическом балансе на уровне 2050г составит более 18%. Наиболее приемлемой по всем показателям является неисчерпаемая энергия ветра.
Лекция 2. Проблемы атомной энергетики
Содержание лекции: объемы использования атомной энергии, динамика востребования, перспективы атомной энергетики в Казахстане.
Цель лекции: показать тенденции использования атомной энергии в мире, отношение к ней в разных странах по причинам опасности.
Атомная энергетика – альтернативная. В случае исчерпания или отказа от использования углеводородного топлива она сможет в какой - то мере покрыть потребность в электроэнергии.
После аварии на Чернобыльской АЭС строительство новых станций в мире было практически приостановлено. Однако, под давлением энергоэкологического кризиса многие страны мира сегодня пересматривают политику в отношении атомной энергетики,. не забывая, что здесь присутствует проблема «двойного назначения» - «энергия + атомная бомба». Во многих странах мира, особенно в Европе, существует негативное отношение к использованию энергии атома, связанное с опасностью эксплуатации и радиоактивными отходами.
На АЭС в мире вырабатывается 17% всей электроэнергии. В 15 странах доля атомной энергетики составляет около 25%, во Франции - 80%.
Сейчас наметилось в мире ускорение темпов развития атомной энергетики: Вот данные WNA по состоянию на 3 июня 2010 г.:
- 439 действующих реакторов - 375 ГВт;
- 57 строящихся реакторов - 58 ГВт;
- 151 в стадии подготовки проекта - 166 ГВт;
- 345 проекта в стадии рассмотрения - 367 ГВт;
- около 100 перспективных проектов - 110 ГВт.
В мире к 2030 г. предполагается построить более 550 новых реакторов. Рынок оценивается в $1,5 трлн.
Мировая потребность к 2050 г.оценивается на уровне 1400 реакторов по 1ГВт каждый.
О ядерной энергетике в последнее время написано очень много. У публицистов разброс оценок - от полного отрицания атомных электростанций как чего-то крайне опасного, до воспевания ядерной энергии как самого чистого и дешевого вида энергии. Простой же народ, незнакомый с особенностями эксплуатации атомных станций, просто боится повторения Чернобыля.
Если сравнить степень воздействия различных видов топлива, используемых на тепловых электростанциях на окружающую среду, то становится очевидным, что ядерное топливо - самое «чистое». Развитие ядерной энергетики может сыграть очень важную роль в стратегиях, направленных на уменьшение глобальных климатических изменений. Атомные электрические станции не дают выбросов CO2, являющегося основной причиной парникового эффекта. Мировая ядерная энергетика в настоящее время обеспечивает энергией 1 млрд. чел. Если бы эта энергия была произведена с использованием ископаемого топлива, результатом стало бы образование дополнительно 2 млрд. т CO2 в год.
Но самыми большими проблемами ядерной энергетики, сдерживающими ее развитие, являются вопросы безопасной эксплуатации, выбросов на поверхность радиоактивных веществ при добыче урана и захоронения отходов. Все помнят трагедию Чернобыля, произошедшую 26 апреля 1986 года. В результате серии тепловых взрывов был разрушен реактор, значительное количество радиоактивных веществ попало в окружающую среду. По расчетам экспертов, суммарный выход радиоактивных материалов составил 50 млн. кюри, что равнозначно последствиям взрывов 500 атомных бомб, сброшенных в 1945 году на Хиросиму. Всего на Украине была заражена территория общей площадью 50 тыс. кв. км в 12-ти областях. В стране насчитывается 3,2 млн. пострадавших от катастрофы, в том числе около 1 млн. детей.
Это самая громкая и известная авария на атомной станции. Было еще несколько по всему миру, менее известных, но также тяжелых, например, на «Острове трех миль» США,1979. В Японии атомный реактор Fugen был экстренно остановлен после обнаружения утечки радиоактивного пара из системы охлаждения. Это уже не первый инцидент на этом реакторе. У ядерной энергетики есть свои "плюсы" и "минусы". Кроме того, имеют место сложности политического характера. Развитие атомной энергетики в странах с нестабильной политической обстановкой создает опасность террористических актов.
В разных странах отношение к развитию атомной энергетики нестабильно. Так, например, в Швеции был намечен демонтаж имеющихся реакторов, в Австрии, Бельгии и некоторых других странах отказывались от строительства запланированных электростанций, сильное противодействие развитию атомной энергетики в Германии и Италии, а в таких странах, как Россия, Украина, Франция, Канада намечается сооружение новых атомных реакторов, одновременно усиливается внимание к мерам безопасного функционирования АЭС.
В США демонтировано несколько реакторов, но, с другой стороны, разработана программа по созданию реакторов нового поколения.
В Великобритании имеется сейчас 35 атомных реакторов, и 27% всей электроэнергии покрывается за счет атомных электростанций. По оценкам экспертов, к 2100 году общее электропотребление страны увеличится в 5 раз. Очевидно, что решить эту проблему без атомной энергетики не удастся.
Сохранять и развивать ядерную энергетику безусловно следует. Вопрос лишь в том, в каких масштабах и в каких направлениях.
Полагают, что масштаб строительства новых крупных ядерных электростанций должен быть ограничен. Эти ограничения касаются, прежде всего, атомных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах. Нужно сосредоточить внимание на проблеме создания эффективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах и рассматривать это направление как наиболее перспективное. В атомной энергетике просматривается тенденция децентрализации и создания автономных источников энергии, таких как атомные станции малой мощности, УНИТЕРМ, предназначенные для снабжения электроэнергией и теплом посёлков в отдалённых районах мира.
Для ряда труднодоступных районов весьма важным является строительство малых ядерных электростанций, работающих порой в автоматическом режиме, а также плавучих атомных электростанций.
Отдельной задачей становится выполнение программы закрытия ядерных реакторов, исчерпавших ресурс работы, переработки и надёжного захоронения радиоактивных отходов. Так происходит замена радиоизотопных термоэлектрических генераторов РИТЭГов, относящихся по классификации МАГАТЭ к 1 классу опасности (strongest sources, сильнейшие излучатели), представляющих серьезную опасность для окружающей среды и человека, на альтернативные источники электропитания на маяках Гидрографической службы Северного флота и в других труднодоступных местах.
В Казахстане электроэнергия на атомных электростанциях не производится, хотя на Мангышлакском атомно-энергетическом комплексе работал атомный реактор БН-350. Мангышлакский атомно-энергетический комплекс проектировался и строился для получения боевых радиоактивных компонентов, а также снабжения промышленности и населения города Шевченко питьевой и технической водой, электроэнергией и теплом. Сейчас БН-350 демонтируется и пока не предусматривается его замена, как намечалось ранее.
У Республики Казахстан богатый ядерный потенциал. Казахстан обладает самыми высокими запасами природного урана (по оценкам МАГАТЭ, до 25 процентов мировых запасов и до 47 процентов запасов стран СНГ). Кроме того, в нашей республике имеются предприятия урановой промышленности: добыча и производство окиси-закиси урана (35 процентов объема производства стран СНГ), производство уранового топлива, единственное в СНГ производство бериллия. И, наконец, Казахстан обладает научно-исследовательской базой, включающей четыре уникальных исследовательских ядерных реактора, критический стенд, изохронный циклотрон, ускоритель тяжелых ионов и ускорители электронов.
Отношение к атомной энергетике в Казахстане вообще и к сооружению атомной электростанции в частности изучалось путем опроса экспертов – энергетиков.
Из высказываний экспертов следует вывод, что самые большие опасения по поводу сооружения АЭС вызывает возможность неправильной эксплуатации и, как следствие, повторение трагедии Чернобыля. С другой стороны, при правильной эксплуатации АЭС никаких отрицательных последствий, по мнению энергетиков, не будет, кроме того, энергия от этой станции была бы экологически более чистой, чем от станции, работающей на угле, мазуте или газе.
Необходимость сооружения атомной электростанции в Казахстане респонденты не поддерживают. Эксперты говорят, что причин этому несколько. Во-первых, это связано с инвестициями. Сооружение новых станций за счет бюджета не предусматривается, то есть должен появиться частный инвестор, который вложил бы в строительство АЭС немалые деньги. Для того, чтобы эти деньги вернуть, сумма капиталовложений должна быть учтена в тарифе на электроэнергию. По расчетам специалистов, участвовавших в подготовке технико-экономического доклада по АЭС, 1 кВт.ч от новой станции будет стоить 3 цента (по самым оптимистичным оценкам). Сейчас самая дешевая электроэнергия - это энергия, поступающая с Экибастузских ГРЭС, которые работают на угле стоит около 1 цента, с учетом транспортных расходов - 1,5 цента.
В «Программе развития электроэнергетики до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Республики Казахстан №384 от 09.04.1999 года, сказано: «Необходимость крупного источника, такого как Южно-Казахстанская ГРЭС или Балхашская АЭС, просматривается за расчетным периодом после 2015 года. Имеющаяся на сегодня информация и анализ мировых тенденций не дает аргументов в пользу строительства АЭС в рассматриваемый период». Как видим, точки зрения правительства и специалистов по этому вопросу совпали.
Лекция 3. Энергетика на неисчерпаемых ресурсах
Содержание лекции: мировая концепция использования неисчерпаемых энергетических ресурсов, свойства ветра и солнечной энергии, синэнергетический эффект.
Цель лекции: показать энергетические возможности солнечной энергии, достоинства и особенности использования ветра как энергоносителя, определить перспективность вертикально-осевых турбин и совместного использования энергии Солнца и ветра.
Неисчерпаемые виды энергии - солнечная, ветровая, геотермальная, энергии океана; возобновляемая энергия – энергия рек, малых водотоков и биомассы.
Достоинства неисчерпаемой и возобновляемой энергетики:
- повсеместное наличие нескольких видов ресурсов;
- прогрессирующая технология их использования;
- содействие энергетической безопасности и независимости государства;
- вклад в выполнение международных обязательств по сокращению выбросов ПГ;
- наличие перспектив для привлечения финансовой поддержки со стороны частного капитала.
Очевидно, что вся полученная и произведенная энергия рано или поздно выделится в виде тепла на поверхности Земли, что в принципе может повлиять на климат. Но пока еще энергия, производимая человеком, меньше чем 10 в степени - 4 от Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли и постоянно переносимой энергии ветра. Таким образом, антропогенное влияние произведенной энергии, добавляющее лишь 0,01% к естественной энергии ветра и Солнца, слишком мало, чтобы оказать прямое влияние на климат. Тем не менее, по экологическим причинам будет происходить сокращение углеводородной энергетики и увеличение производства энергии из неисчерпаемых ресурсов. По оценкам Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), потребление неисчерпаемых первичных ресурсов в мире к 2020 году вырастет на 56 процентов по сравнению с 2000 годом, причем быстрее будет расти потребление таких ресурсов, как ветровая, солнечная, геотермальная, гидроэнергия малых водотоков.
Солнечная энергия. Излучение Солнца для производства энергии приемлемо на большей части земного шара с некоторыми особенностями на экстремальных широтах Арктики, Аляски, Норвегии, Финляндии, Антарктиды. Средняя интенсивность энергии Солнца по отношению к поверхности Земли составляет 160 Вт/м2. Она в 4 тысячи раз превышает потребности человечества в энергии на уровне 2020 года, используется для производства электроэнергии и тепла. Установки небольшой мощности дают сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся стран к современной цивилизации. Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде стран приняты национальные программы по широкому их внедрению - (100 тысяч «солнечных крыш» в Германии и в Японии, 1 млн. «солнечных крыш» в США). При хорошем освещении стоимость выработанной преобразователями электроэнергии не превышает 15–20 центов за киловатт- час.
При определении практической целесообразности использования солнечной энергии исходят из того, что плотность ее в южных широтах достигает 1 кВт/м 2, в других районах средняя плотность светового потока составляет 200-250 Вт/м 2. Это же находит отражение в карте солнечной активности на территории Республики Казахстан.
Она используется при расчете количества солнечных преобразователей, необходимых для покрытия нагрузки автономного объекта. Однако карта дает значение солнечной активности в безоблачные дни, реально же она может быть значительно ниже по климатическим причинам: облачность, осадки, наличие снега и пленки льда или пыли. Поэтому мощность солнечных батарей, определенную по данным карты приходится произвольно увеличивать на несколько десятков процентов. В соответствии с географическим расположением Казахстана ресурсы его солнечной энергии оцениваются следующими показателями. Продолжительность солнечного сияния, обеспечивающего поступление лучистой энергии на горизонтальную поверхность в пределах 1280 – 2300 кВт. ч./м 2, составляет от 2000 до 3000 часов в год из 8760 (8736) часов. Суммарный годовой потенциал солнечной энергии Казахстана оценивается в 340 млрд. тонн условного топлива. Идеальна ли солнечная энергетика с технической и экономической точек зрения?
К сожалению, не совсем. Противоречивым является вопрос безопасности солнечных технологий для окружающей среды. Конечно, это не атомная или угольная энергетика и не использование нефти и газа, однако на данном этапе развития технологий при изготовлении солнечных батарей используются вещества, которые тем или иным образом могут навредить природе. Уже готовые фотоэлементы содержат ядовитые вещества, такие как свинец, кадмий, галлий, мышьяк. После исчерпания срока службы преобразователей или при выходе их из строя возникает проблема последующей переработки модулей, а решение вопроса их утилизации до сих пор не найдено. Особенностью получения электрической энергии от Солнца является периодичность. Солнечные системы не способны работать ночью, а вечером и в утренних сумерках эффективность станций падает в несколько раз. Серьезное влияние оказывают и погодные факторы. «Подводным камнем» функционирования современных «солнечных ферм» является проблема технической поддержки и обслуживания. Интенсивный нагрев фотоэлементов существенно снижает эффективность системы в целом, поэтому здесь нужно предусматривать охлаждение модулей, солнечные батареи необходимо периодически чистить от пыли, грязи и снега, ориентировать на Солнце. В установках площадью несколько квадратных километров с этим возникают значительные сложности. У идеальной, на первый взгляд, технологии добычи энергии сегодня имеется целый ряд недостатков, однако можно быть уверенными в том, что это всего лишь индикатор совершенствования солнечной энергетики. Каждый день технологического прогресса сможет искоренять один недостаток за другим, поэтому это вопрос времени. Солнечная установка мощностью 1 кВт окупается только на 14-15-м году работы, а это, по сравнению с тепловыми или ветровыми станциями электростанциями, довольно долго. К проблемам солнечной энергетики относится также необходимость уточнение карты Солнечной активности конкретных регионов в разрезе сезонов, месяцев, суток.
Энергия ветра. Энергия ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, а возможность ее использования зависит от конструкции ветродвигателя, его способности брать энергию от воздушных течений при непрерывном изменении их направления, скорости и переносимой энергии. Большое влияние на характеристики ветра в приземном слое оказывает рельеф местности – горы, долины, пустыни, океаны и моря, растительность и строения.
Главная проблема ветроэнергетики - недостаточная изученность ветра как энергоносителя, повторяемости его скорости, смены направления и переносимой энергии, дислокации энергоресурсов по территории.
Тем не менее, общая мощность ветровых турбин, работающих в составе энергосистем в различных частях мира составляет около 180000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупным электростанциям. Наиболее распространенными для системного использования являются ветровые агрегаты мощностью 1 МВт и более. Ветрогенераторы автономных систем имеют мощность от десятков ватт до 10 -15 кВт.
Ветровая энергетика характеризуется следующими технико – экономическими показателями:
- при скорости ветра 7,5-8 м/с стоимость электроэнергии ВЭС сопоставима со стоимостью угольной электроэнергии;
- при скорости ветра 8,5-9,5 м/с стоимость электроэнергии ВЭС сопоставима со стоимостью газовой электроэнергии.
В областях, где средняя скорость ветра составляет, по крайней мере, двадцать километров в час (5,5 м/с), получение электроэнергии с помощью ветровых турбин может конкурировать с другими способами производства, например, угольным или ядерным.
В перспективе стоимость электроэнергии ВЭС прогнозируется ниже стоимости традиционной электроэнергии, включающей гидроэлектростанции.
Энергосистема, имеющая нерегулируемые источники энергии - ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), должна компенсировать изменения мощности этих станций другими источниками (ГЭС, ТЭС, АЭС). Считается, что во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, 20-25% (по мощности), хотя уже есть примеры энергосистем, содержащих более 70% ветроэлектростанций.
Проблемными вопросами пропеллерных ветроэлектростанций являются визуальное засорение больших территорий, раздражение животных и снижение их продуктивности, аэродинамический шум, большой уровень потребления энергии на собственные нужды – поворот лопастей и всего агрегата на ветер, электромагнитные помехи, большая площадь отчуждаемой территории под установку ВЭС, низкий коэффициент использования установленной мощности в условиях резко переменных материковых ветров.
Решение проблемы поиска мест, где ветровые генераторы могут успешно работать в какой – то мере решается с помощью ветрового атласа, где на основе стандартных методик нанесены зоны с разной среднегодовой ветровой активностью. Однако, реальный ветропотенциал конкретного места должен уточняться путем его измерения в течение, по крайней мере, года.
Казахстан относится к III и IV районам по скоростным напорам ветра, имеет более десяти районов со средней годовой скоростью ветра 8–10 м/с, являющихся «месторождениями» гигантской энергии. Технически возможный к использованию ветроэнергетический потенциал ветра Казахстана оценивается в 3 милрд. кВт.ч. в год.
Воздушные течения на всей территории Казахстана характеризуются высокой турбулентностью, частой и глубокой сменой направлений и скорости, как отражено в картах повторяемости направлений ветра (розе ветров). По высоте над поверхностью земли ветры имеют высокий градиент скорости и разные направления, что требует применения особых преобразователей их энергии, так как традиционные пропеллерные здесь малоэффективны.
В этих условиях перспективными являются ветроагрегаты с вертикальной осью вращения вала, типа Дарье, Савониуса и других. Коллективами Казахстана и России разрабатывается новая концепция использования энергии ветра и принципиально новая вертикально осевая ветровая роторная турбина ВРТБ.
Она имеет кольцевой направляющий аппарат и расположенный внутри его ротор, образующие вертикальные цилиндрические «модули» турбины, устанавливаемые друг на друга. Количество их определяется требованием получения необходимой мощности.
Рисунок 3.1 - Схема модуля ветровой роторной турбины ВРТБ
Особенности ВРТБ
- наличие направляющего аппарата, производящего концентрацию энергии ветра на лопатках ротора турбины;
- отсутствие влияния направления ветра на ее работу;
- высокий крутящий момент, низкая стартовая скорость ветра, срабатывание энергии порывов;
- модульный принцип построения, аэродинамическое подобие модулей разного диаметра и высоты;
- диаметр и высота модулей для получения требуемой мощности от установленного электрогенератора и необходимой выработки электроэнергии подбираются в соответствии со свойствами ветра в месте размещения ВРТБ;
- реализованное независимое встречное вращение роторов турбины, расположенных в разных по скорости и направлению зонах воздушного потока по высоте над поверхностью земли и вращающих ротор и статор генератора в противоположных направлениях, высокий коэффициент использования энергии ветра;
- удвоение результирующей частоты вращения генератора и развиваемого им напряжения, выход на номинальное напряжение при низких скоростях ветра;
- оригинальный электрогенератор, сниженные вес и габариты, рекордные характеристики;
- отсутствие наружных вращающихся частей, шума, раздражающего визуального воздействия, помех средствам связи, безопасность;
- возможность плотного размещения агрегатов на территории, эффективное использование энергии «месторождений ветровой энергии»;
- широко распространенные конструкционные материалы;
- умеренно сложная современная технология изготовления и тестирования модулей турбины;
- принципиально совершенная схема преобразователя свободной энергии ветра в электрическую, обеспечивает широкий простор для конструктивных решений;
- органическое слияние энергоносителя и производимой им энергии, раздельное формирование частоты вращения генератора и мощности турбины независимым изменением диаметра и высоты модулей;
- согласование числа высоких и низких модулей с эпюрой скорости на разной высоте над поверхностью земли;
- расположение генераторов малой мощности внутри турбины и расположение генераторов большой мощности в ее основании;
- глубокий уровень современной интеллектуальной автоматизации при выработке и распределении энергии, а также защиты в экстремальных условиях.
Совместное использование энергии ветра и солнца сопровождается синэнергетическим эффектом, когда разнесенные во времени природные энергоисточники складываются и обеспечивают стабильное поступление необходимой средней мощности и энергии потребителям.
В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы и Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 годы по сохранению природных ресурсов и окружающей среды, определено использование ветроэнергетического потенциала Казахстана для производства электроэнергии в объеме 900 млн. кВт.ч в год к 2015г и 5 млрд. кВт.ч. к 2024 году.
Лекция 4. Автономная энергетика
Содержание лекции: автономная энергетика имеет неисчерпаемые экономические и социальные перспективы, направлена на продвижение электроэнергии и цивилизации на территории с низкой плотностью населения, не имеющие надежного централизованного электроснабжения. При значительных объемах выработки электроэнергии она является существенным вкладом в энергетическую безопасность государства.
Цель лекции: показать, что автономная энергетика развивается путем создания комплексных энергетических систем по аналогии со стандартными энергетическими системами большой мощности, важность развития автономной энергетики отражена в Законе Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».
Автономными объектами по режиму электроснабжения являются объекты, не имеющие связи с централизованной энергетической системой или присоединенные слабой сетью к дефицитной энергосистеме в условиях возможности частых внезапных и длительных перерывов в подаче энергии электроэнергии.
В Казахстане насчитывается порядка 180 000 крестьянских хозяйств, основная часть которых (90% по данным НПЦ механизации) не имеет доступа к централизованному электроснабжению.
Остро стоит проблема обеспечения питьевой водой. Многие объекты водоснабжения пришли в негодность, в том числе из-за отсутствия электроэнергии. Отсутствие энергии и воды значительно ухудшает условия проживания в сельской местности, ведет к перенаселению и осложнению социальной обстановки городов.
Устранение отставания регионов и развивающихся стран, сохранения среды обитания необходимо всем, в том числе и самым развитым странам и городам. Это во многом определяет судьбу человечества, глобальную миграцию населения в поисках благоприятных условий жизни, доступа к энергии, воде, продуктам и цивилизации.
Термин «автономная энергетика» подразумевает использование маломощных генераторов электричества - солнечных батарей, ветрогенераторов, гидрогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, тепловых насосов и систем питания произведенной ими энергией конкретных потребителей. Автономная энергетика проникает с одинаковой скоростью в промышленно развитые страны и в неразвитые регионы, где с ее помощью получают доступ к энергии, не дожидаясь развития крупных станций и централизованной энергосети, как многие страны сейчас перешагивают через традиционную телефонную связь, переходя сразу к беспроводной и мобильной.
Эффективность автономной энергетики подтверждается значительным интересом, проявляемым к ней гигантами современной энергетической индустрии.
Решения развивать альтернативную энергетику приняли большое количество крупнейших нефтяных и атомных компаний мира, в том числе «НАК «Казатомпром».
Развитие автономной энергетики фактически означает, что монопольные системы электростанций, линий электропередач и теплотрасс, сегодня уже не являются единственным возможным источником получения энергии.
Произведенная автономной энергетикой энергия зачастую дешевле ископаемой энергии и разница в ценах будет продолжать увеличиваться.
Автономная энергетика быстро развивается и особенно в той ее части, которая связана с неисчерпаемыми и возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), ветром и Солнцем.
Потребители автономных систем электроснабжения на базе ВИЭ в основном представлены объектами в удаленных и труднодоступных районах, где сейчас наблюдается увеличение их количества, связанное с бурным ростом индивидуального строительства с одной стороны, отставанием развития электрических сетей и дефицитом энергии в них, с другой стороны.
Особое значение имеет бесперебойное энергоснабжение отдаленных объектов, обеспечивающих безопасность государства – телекоммуникации, систем мобильной связи, ретрансляторов, пограничных застав, нефте- и газопроводов, предприятий урановой промышленности, относящихся к потребителям первой категории и особой группе потребителей в составе первой категории по надежности электроснабжения. Согласно ПУЭ электроснабжение таких объектов должно обеспечиваться двумя постоянно действующими независимыми источниками электроэнергии. Реформирование границ между странами бывшего Советского Союза и политические изменения в мире создали большую потребность в автономных источниках электрообеспечения специального оборудования укрепления границ. Решением проблемы их электроснабжения является использование энергии Солнца и ветра.
Важность развития автономной энергетики отражена в Законе Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии», где статьей 7 определена разработка и реализация региональных программы развития и использования возобновляемых источников энергии с учетом размещения объектов по использованию возобновляемых источников энергии в отдаленных неэлектрифицированных населенных пунктах, где централизованное электроснабжение экономически нецелесообразно.
Автономная энергетика развивается путем создания комплексных энергетических систем по аналогии со стандартными энергетическими системами большой мощности.
В комплексных энергосистемах ветровая турбина, фотоэлектрические преобразователи и аккумуляторная батарея работают одновременно. Это обеспечивает стабильную выработку и подачу энергии потребителям в переменных погодных условиях. Ветровой и солнечный источники энергии дополняют друг друга: в периоды, когда снижается солнечная радиация, усиливается ветер и наоборот. Примером может служить автономный энергетический комплекс для электроснабжения отдаленных объектов, разработанный в нескольких вариантах в зависимости от категории потребителя.
В состав комплекса входят:
- роторная вертикально-осевая ветровая турбина (ВРТБ) с трехфазным генератором, выпрямителем, регулятором нагрузки;
- солнечные преобразователи;
- электрическая сеть переменного тока системного питания (при наличии).
- дизель – генератор с автоматическим запуском и остановкой, собственным зарядным устройством (при особой необходимости);
В термостатированном специальном помещении (шелторе) размещаются:
- регулятор нагрузки и зарядное устройство ВРТБ;
- зарядное устройство солнечных преобразователей «Солнце»;
- блок управления и зарядное устройство дизельного генератора;
- блок бесперебойного питания - выпрямитель/инвертор - переменный ток стандартного качества;
- аккумуляторные батареи (АКБ);
- щит индикации работы Энергосистемы и коммутации нагрузки, а также имеется вход переменного тока от других источников переменного тока;
- распределительный щит питания электроприемников с распределением на потребителей на 1, 2 и 3 категории.
Все источники энергии работают параллельно на шины постоянного тока, питают через инвертор нагрузку и зарядку аккумуляторной батареи, обеспечивающую резервирование питания нагрузки в случае недостатка энергии от источников.
Состав генерирующих мощностей и категорирование нагрузки энергокомплекса формируется по техническим условиям Объекта.
Для поставки энергетического комплекса на объект необходимо указать его географические координаты, требуемую энергию для функционирования объекта и желаемую конфигурацию комплекса. Параметры источников неисчерпаемой энергии формируются в соответствии с данными ветрового атласа и карты солнечной активности. Поправки в комплектность ВРТБ, солнечные преобразователи и аккумуляторные батареи вносятся через год эксплуатации энергосистем. В то же время большую проблему представляет неконтролируемое увеличение нагрузки потребителем после ввода комплексной энергосистемы в эксплуатацию на заранее согласованную нагрузку, самовольно и хаотически производимое потребителями энергии.
Реализация проектов электроснабжения автономных объектов осуществляется силами АУЭС, силами и средствами ООО «ЭНЭКСИС» Москва и ТОО «Экоэнергомаш».
Рисунок 4.1- ВРТБ -2, объект связи
Рисунок 4.2 - Двухагрегатный автономный энергетический комплекс
«Ветер-Солнце» ВРТБ4М – 800/220 для питания выделенной нагрузки объекта, расположенного в координатах 51°08' 33,7" С.Ш.; 71°19' 30,4" В.Д.
Автономная энергетика имеет неисчерпаемые экономические и социальные перспективы, направлена на продвижение электроэнергии и цивилизации на территории с низкой плотностью населения, не имеющие надежного централизованного электроснабжения. При значительных объемах выработки электроэнергии она является существенным вкладом в энергетическую безопасность государства.
Использование неисчерпаемых энергетических ресурсов в автономной энергетике это:
- один из немногих секторов экономики со стремительным ростом в ближайшие годы и в будущем;
- отрасль, доступная для инвестиций, в том числе со стороны мелких и средних инвесторов;
- сектор энергетики, в котором отсутствует доминирование крупных госкомпаний, и как следствие, сохраняется рыночная среда;
- сектор экономики, в котором политика центральных и региональных властей по отношению к участникам рынка, в частности к инвесторам и поставщикам оборудования, наиболее либеральна.
Автономная энергетика открывает новые возможности для развития бизнеса, позволяют исключить его зависимость от растущих цен на электроэнергию и тепло. Рост внутренних тарифов на энергоносители, сбои в поставках тепловой и электрической энергии системами централизованного энергоснабжения будут способствовать росту спроса на автономные системы с использованием ВИЭ.
Перспективность автономной энергетики обеспечивается следующими основными факторами:
- неуклонно возрастающий уровень потребления энергии и расширение областей применения автономного питания;
- бесплатность и повсеместная доступность первичных энергоресурсов;
- совершенная концепция вертикально - осевой ветровой роторной турбины ВРТБ, аэродинамическое и энергетическое подобие и технологичность изготовления турбин в широком диапазоне габаритов и мощности;
- общий прогресс технических средств по преобразователям первичных ресурсов, электрического оборудования и системной автоматики.
Для решения насущных проблем и дальнейшего развития работ предполагается расширение подготовки кадров в Алматинском университете энергетики и связи, проведения научных исследований, создание в Республике Казахстан производства ветровых турбин и всего сопутствующего электротехнического оборудования для комплексных энергетических систем мощностью 10, 20, 50, 100 кВт и выхода на большие мощности. Персональные источники энергии как мобильный телефон, компьютер должны быть доступны по цене и просты в обращении и эксплуатации. Необходима помощь глобального сообщества по софинансированию разработок автономных источников энергоснабжения на основе государственно – частного партнерства.
Государственная программе по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на 2010 – 2014 годы, утвержденная Указом президента Республики Казахстан от 19 марта 2010года № 958 определяет, что «Одним из приоритетных направлений развития электроэнергетики и решения экологических проблем Казахстана является использование возобновляемых энергетических ресурсов. Ресурсы ветровой и солнечной энергии в стране являются стабильными и приемлемыми для экономически оправданной энергетики. Основная задача - увеличение их доли в энергобалансе страны».
Развитие автономной энергетики на возобновляемых энергетических ресурсах стимулирует создание энергетического машиностроения, электротехнической промышленности для производства электрогенераторов и преобразовательной аппаратуры, инновационное развитие металлургической промышленности для производства кремния солнечного качества и нового поколения преобразователей.
Для развития автономной энергетики, использующей НИЭ и ВИЭ предстоит решить ряд научно-технических проблем. В их числе глубокое изучение ветра как энергоносителя и дислокации его потенциала по территории планеты и отдельных регионов, внесение климатических поправок в карте солнечной активности, создание конструкций ВРТБ различной мощности, совершенствование технологии их изготовления, дальнейшее развитие системной автоматики.
Лекция 5. Энергетика подвижных объектов, электромобиль
Содержание лекции: передвижная автономная комплексная энергетическая система, содержащая источник и накопитель энергии, преобразователи энергии, системы автоматического управления и защиты, электронное оборудование и бытовые приборы – новый вид энергосистем.
Цель лекции: показать тенденции перехода транспортных средств в разряд мобильных энергетических систем с автономным обеспечением электроэнергией.
Автомобиль - передвижная автономная комплексная энергетическая система, содержащая источник и накопитель энергии, преобразователи энергии, системы автоматического управления и защиты, кондиционеры, осветительные приборы, компьютеры, аудио и видео аппаратуру, другое электронное оборудование и бытовые приборы. Замена на автомобилях двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели и обеспечение запаса его хода аккумуляторными батареями, солнечными преобразователями и «электрозарядными» станциями на улицах и дорогах, использующими неисчерпаемые энергетические ресурсы – базовая научно – техническая проблема современности.
Привычными транспортными средствами стали электровоз, сменивший паровоз и тепловоз не потому, что кончились уголь и мазут, трамвай, троллейбус; дизель – электроходы вместо пароходов. На повестке дня вхождение в обиход транспортных средств на электрической тяге, не привязанных к рельсам и проводам - электромобилей.
Росту населения Земли сопутствует резкое увеличение использования двигателей внутреннего сгорания, поскольку стремительно нарастает число и мощность автомобилей различного назначения – легковых, автобусов, грузовых, строительной и дорожной техники. Мы привыкли думать, что основной удар по экологии наносят энергетика, химия и нефтяная промышленность, однако нельзя исключать автотранспорт. Суммарная мощность двигателей в мире равна или превышает мощность тепловых электростанций. Когда это было осознано, стали делать экономичные двигатели, внедрять каталитическое дожигание для уменьшения смога в крупных городах.
Например, республика Кипр лидирует в мире по количеству частных автомобилей. Согласно обнародованному сегодня докладу Международной дорожной федерации, на 1 тысячу киприотов приходится 746 легковых машин. США занимают 5-е место (около 780 автотранспортных средств на 1000 жителей (автомобилей больше, чем людей, достигших возраста, позволяющего ими управлять), Франция – 10-е, Япония – 11-е и Англия – 25-е. Меньше всего автомобилей зарегистрировано среди населения Гвинеи-Бисау. На каждую тысячу жителей этого государства приходится лишь одна машина.
Большинство стран с высокими доходами (такие, как Великобритания, Япония, Италия, Германия) имеют в среднем 400-600 автотранспортных средств на 1000 жителей.
Количество транспортных средств продолжает стремительно расти, что выводит на повестку дня создание электромобилей, и это заставило нас обратить более пристальное внимание на одно из изобретений девятнадцатого века - электромобиль.
Считается, что первый электромобиль был создан Робертом Дэвидсоном (Robert Davidson) в 1838 году в Англии. Это была огромная машина с ваннами, заполненными серной кислотой. Поначалу он опережал обычный автомобиль по скорости передвижения и к 1912 году в США было изготовлено более 10 тысяч электромобилей. Однако позже он не смог стать конкурентом автомобиля. Произошло это из-за недостатка емкости существующих тогда аккумуляторов. Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание от батарей со свинцовыми аккумуляторами емкостью всего 20 Вт/ч*кг.
Однако с приходом XXI века топливных элементов питания и, конечно же, свежих идей в накопителях энергии многие производители автомобилей дают электромобилю второй шанс. Будет ли он удачным? Для этого ответа нам надо рассмотреть существующие решения, проанализировать все плюсы и минусы и, конечно же, посмотреть на современные электромобили.
Электромобиль на солнечных элементах. Существует много различных видов топливных элементов. Одни очень громоздки и в будущем, возможно, их можно будет устанавливать на электростанции или электровозы. Другие же, например, водородные как раз и разрабатываются с целью их установки в электромобили. Все топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Топливо для топливных элементов необходимо производить заранее. С кислородом всё понятно, он из воздуха, а вот водород необходимо конверсировать из органического топлива (либо газифицировать уголь). При этом затрачивается энергия из традиционных источников (теплоэлектростанций, например), и намного больше, чем энергия получившегося топлива (водорода) для топливных элементов. Энергию можно получать, используя неисчерпаемые источники энергии. Солнечные и ветровые электростанции производят водород (путем электролиза), запасая его в обменные емкости, а затем он используется в качестве топлива на подвижных объектах.
Правда, существует множество различных технологий других более экономичных способов получения водорода, но до промышленного внедрения они еще далеки. Однако, на этом «электрическая тема» в автомобилестроении не закрывается. Многие крупнейшие производители представили свои концепты гибридных автомобилей, где бензиновому двигателю активно помогает электромотор, а Toyota, начиная с 1997 года серийно выпускает модель Prius (и еще несколько подобных).
Гибридный привод автомобиля это комбинация бензинового и электрического двигателя, а компьютерная система управления подключает их одновременно или по очереди в зависимости от условий движения. Более того, существует режим рекуперации энергии при торможении. Самый продаваемый электромобиль в мире – Toyota Prius расходует всего лишь 3,2 литра бензина на 100 километров при движении в городском цикле. Компьютерная система управления работает приблизительно так: в начале движения работает электромотор, при обычной езде – двигатель внутреннего сгорания, при наборе скорости совместно работают двигатель и электромотор. Во время снижения скорости происходит подзарядка аккумуляторов (та самая рекуперация). Однако гибриды подобного типа всё же используют традиционное топливо (хотя вредные выбросы сокращаются на 90%), да и блок аккумуляторов у них имеет не малый вес.
В качестве развития гибридной ветки Toyota выпустила внедорожник Lexus RX 400h, где 3,3 литровой бензиновой шестерке (211 л.с. - 155 кВт) помогает пара электромоторов суммарной мощностью 45 кВт. Кроме того, с лета 2009 года RX 400h продается и в России. Рекордсмен электромобилей – обновленная версия электромобиля Eliica.
Рисунок 5.1 - Самый быстрый «уличный» электромобиль Eliica
Этот электромобиль был создан в японском университете Кейо при содействии множества промышленных компаний. Кроме своего потрясающего изящества этот электромобиль развивает скорость 370 километров в час!
Тема электромобилей касается не только сектора личного автотранспорта, но и автобусов.
Mitsubishi планирует поставить на серийное производство представленный на выставке в Токио электромобиль Colt MIEV, у которого электромотор расположен внутри диска колеса, а блок щелочных аккумуляторов под полом.
О своих электромобильных планах заявляют и другие компании. В частности, японская компания Subaru, заявила о намерении начать серийное производство компактного электромобиля R1e, который она разработала совместно с энергетической компанией Tokyo Electric Power Company. Мощность электромотора, который будет устанавливаться на R1e, составляет около 54 л.с. Емкости аккумуляторной батареи электромобиля хватает на то, что бы проехать около 80 км, при этом батарея может быть вновь заряжена в ускоренном режиме за 8 минут до 80% своей емкости. Время полной зарядки батареи в стандартном режиме составляет около 6 часов. Subaru обещает, что батарея электромобиля будет обеспечивать 160 тыс. км пробега или 10 лет эксплуатации.
В Италии группа Bolloré при выпуске электромобилей будет поставлять для них литий-метал-полимерные батареи собственной разработки, которые обеспечат пробег до 250 км в городском режиме. Батареи, которые будут использоваться в этом электромобиле, сочетают в себе как высокую энергоемкость, так и большой срок службы более 200,000 км пробега. Батарея будет полностью заряжаться от обычной домашней розетки в течении 5 часов, также возможна будет частичная 5-минутная «быстрая» зарядка, которая позволит электромобилю проехать 25 км. Альянс Nissan с Renault обещает уже через три-пять лет предложить покупателям настоящий электромобиль, двигатель которого будет работать от литиевой батареи. Если проект будет успешным, жителей Лондона, Парижа и других густонаселенных городов будут пересаживать на новый экономичный и экологичный транспорт.
Эта компания, специализирующаяся по высокотехнологичным материалам, типа нанокерамики, утверждает, что за счёт применения новых материалов в она добилась от литий-ионных аккумуляторов не только увеличения удельных мощности и ёмкости, но, что важнее, существенного (в 2-3 раза) повышения срока службы, в сравнении с обычными. Кроме того, им удалось кардинально сократить время полной зарядки. Также заявлено, что новые накопители допускают более глубокий разряд, позволяя полнее использовать их номинальную ёмкость
"С новыми батареями электромобиль можно будет полностью зарядить за время, которое требуется водителю обычного авто, чтобы заполнить бак бензином, купить чашку кофе и еду; то есть – за 6-8 минут". При этом дальность хода на одной зарядке заявлена очень солидная для электромобиля: 320-400 километров. Многие компании в мире занимаются разработкой электромобилей. И через несколько лет нас уже не будет удивлять наличие на улице массы бесшумных и «чистых» транспортных средств. Помимо литиевой батареи автомобиль будет снабжен солнечными батареями. В среднем заряда будет хватать на 250 км, а максимальная скорость автомобиля будет составлять 130 км/час.
Международный проект по внедрению на дороги электромобилей — Better Place — объявил о создании системы быстрой замены севшего тягового аккумулятора, которую предполагается внедрять на трассах вместо бензоколонок.
Концерн General Motors одним из первых приступил к продаже серийных электромобилей массового производства. Согласно калифорнийского законодательства автопроизводители, желающие присутствовать на рынке штата Калифорния, должны поставлять 2% автомобилей с нулевыми выбросами в атмосферу.
Электромобиль Mitsubishi на базе компактного хэтчбека оснащается электромотором мощностью 47 киловатт. На одной «зарядке» батареи он проезжает до 160 километров, а его максимальная скорость около 130 километров в час. Электромобиль комплектуется двумя «коннекторами» для подзарядки: один для быстрого пополнения заряда батарей на специальных станциях, который занимает всего 25 минут, а второй - для "домашнего" использования, при котором аккумуляторы заряжаются от бытовой электросети за 7-13 часов. Никель-металлогидридные батареи «Форда» позволяют автомобилю преодолеть путь в 170 километров, причем восполнить до 80% заряда можно всего за 15 - 20 минут. В 2010 году фирма Zero Air Pollution (США) представила электрический джип ZAP-X - семиместный автомобиль с мотор-колесами общей мощностью 644 л.с., имеющий, кроме литий-ионных батарей, буферный суперконденсатор, обеспечивающий огромные пиковые токи. Поэтому машина может разгоняться до сотни за 4,8 секунды и развивать скорость 250 км/ч. Самое же замечательное в заявленных характеристиках — это запас хода в 560 километров и зарядка от трехфазной сети за 10 минут!
По сравнению с обычным автомобилем, работающем на бензине, дизельном топливе или газе, электромобиль обладает рядом несомненных преимуществ. Он надёжен и долговечен, практически бесшумен, лёгок в управлении, Эксплуатация электромобиля обходится гораздо дешевле, чем традиционные автомашины. Главное же его достоинство – экологическая безопасность. Это особенно важно в городских условиях, где из-за выхлопных газов в часы пик буквально нечем дышать.
Для стимулирования использования электромобилей японское правительство уже приняло решение о снижении налогов и сборов для владельцев электромобилей на 90%, а также разрешило им бесплатно парковаться на стоянках и снизило дорожные сборы при проезде по платным дорогам и автобанам.
Новая разработка - дорожное покрытие, заряжающее электромобили. Южнокорейские ученые разработали дорожное покрытие, которое способно подзаряжать электромобили.
В кампусе Корейского передового института науки и техники это покрытие уже проходит испытание на гольф-картах. В ближайших планах — эксперименты с участием автомобилей и автобусов.
Ученые утверждают, что специальных полос шириной 20–90 см всего на 10% проезжей части дороги любого населенного пункта будет достаточно для подзарядки всех проезжающих электромобилей. Полосы располагаются на тех участках городских магистралей, где транспорт может снизить скорость.
В отличие от традиционных электрических линий (трамвайных) электромобилю не надо находиться в постоянном контакте с новым покрытием. Подзарядка аккумуляторной батареи осуществляется бесконтактным способом с помощью индуктивного зарядного устройства.
Один из крупных разделов Швейцарской программы «Солар-91» - развитие транспортных средств, использующих солнечную энергию, так как автотранспорт «съедает» четверть энергетических ресурсов необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли «солнцемобилей» «Тур де сол».
В мире возлагаются большие надежды на децентрализованное производство электрической и тепловой энергии собственными ветровыми и гелиоустановками. Это отвечает чувству цивилизованного собственника, не жалеющего средств ради чистоты воздуха, воды и земли. Наличие персональных ветровых и гелиостанций стимулирует развитие электроники и электротехники, приборостроения, технологии новых материалов и других наукоемких отраслей и электромобилей. Из приведенного обзора видно, что развитие электромобиля сильно стимулирует создание эффективных аккумуляторов и нет сомнения , что вскоре их получит системная энергетика совместно с быстрыми зарядными устройствами.
Лекция 6. Тепловая энергия океана
Содержание лекции: способы использования энергии океана, типы океанских тепловых станций.
Цели лекции: показать, возможности использования тепла мирового океана для выработки электрической энергии и возникающие при этом проблемы.
Энергия всех водных объемов и движущейся воды относится к возобновляемой, поскольку ее величина зависит от суточной, сезонной или годовой активности Солнца. Она может истощиться в жаркий и засушливый год, может появиться при таянии ледников и снежников, или возродиться в период дождей. Тепловая или механическая энергия масс воды также зависит от Солнца и ветра. Возможные объемы использования энергии воды во всех ее проявлениях ограничены и не относятся к неисчерпаемым ресурсам.
Извлечение тепловой энергии из океана ограничивают такие факторы, как: необходимость сохранять баланс теплообмена между океаном и атмосферой, что не позволяет понизить поверхностные температуры более чем на 0.5К. Выделение углекислого газа (СО2) из холодных глубинных вод, поднимающегося на поверхность при работе тепловых преобразователей - гидродинамические и тепловые эффекты создают опасность разрушения слоя скачка температур. Благодаря малой теплопроводности воды солнечное тепло концентрируется в верхнем маломощном слое, а прогрев больших глубин океана осуществляется посредством турбулентного перемешивания. Это и ряд других причин обеспечивают достаточно четкую, хотя и несколько варьирующую по сезонам, классификацию водной толщи: наиболее теплый, хорошо перемешанный, верхний слой. Затем идет слой скачка, где температура резко понижается, а ниже его господствуют холодные воды. Именно такая структура обеспечивает возможность использовать прогретые воды в качестве рабочей жидкости, а холодные - для охлаждения, в качестве теплообменной жидкости в тепловых преобразователях. Идея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водами океана, была предложена еще в конце Х1Х в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. прошлого века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электростанций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные сооружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане (на якорных системах или в свободном дрейфе). Работа ОТЭС основана на принципе, используемом в паровой машине. Котел, заполненный фреоном или аммиаком - жидкостями с низкими температурами кипения, омывается теплыми поверхностными водами. Образующийся пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Отработанный пар охлаждается водой из нижележащих холодных слоев и, конденсируясь в жидкость, насосами вновь подается в котел. Расчетная мощность проектируемых ОТЭС составляет 250 - 400 МВт.
Тихоокеанским океанологическим институтом АН РФ реализуется способ получения электроэнергии за счет разности температур подледной воды и воздуха, которая составляет в арктических районах 26 С и более. По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электростанциями ОТЭС оцениваются специалистами как более эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Наиболее привлекательными для размещения ОТЭС являются тропические и арктические широты. Первая рентабельная ОТЭС, созданная фирмой "Локхид" (США), заработала в 1979 году вблизи Гавайских островов, полезная мощность станции составляла 12 кВт. Но эта мини-ОТЭС дала возможность создать плавучую лабораторию мощностью в 1 МВт. на танкере ВМС США. Еще более мощной около - 100 МВт стала ОТЭС-2. Сейчас в США в год тратят большие средства на строительство ОТЭС и на производство аммиака, используемого в качестве рабочей жидкости. Он обеспечивает работу около двух десятков рентабельных ОТЭС с полезной мощностью 40 - 400 МВт.
Япония располагает значительным арсеналом тепловых океанских станций мощностью 10 - 100 МВт. Оправдывая программу "Солнечный свет" Япония с 2000 года 70 % своих потребностей удовлетворяет за счет энергии океана. В 1988 г. заработала ОТЭС берегового базирования на о. Таити. Полезная мощность этой станции 5 МВт, несколько позднее появилась ОТЭС в Индонезии на о. Бали. Благоприятные условия для использования тепловой энергии океана имеются у юго-восточного побережья о. Сахалин, у берегов Крыма и Кавказа в районе Баку. Запасов термальной энергии в Мировом океане достаточно для строительства станций с общей мощностью 3000 млрд. кВт. В наиболее перспективный регион, между 20º с.ш. и 20º ю.ш., попадают около 100 стран.
Главной проблемой использования тепла морских глубин является фреон, его стоимость, проникающая способность, возможность огромных выбросов в воду в случае аварий и, в этих случаях, - опасность разрушение озонового слоя Земли и образование парникового слоя, значительно более мощного чем с участием углекислого газа. Большую опасность для животного мира и растительности океана представляет производимое ОТЭС охлаждение больших объемов воды и нарушение естественного природного фона акваторий. Этот вопрос еще не изучен и, возможно, что ОТЭС также вредны и опасны для человечества и экологии в целом, как тепловые и атомные станции. Проблема может решаться изучением теплового баланса акваторий и возможного уровня использования избыточной энергии в случае превышения ее над естественным уровнем «до парникового периода»
Лекция 7. Электростанции вне земли, Новые солнечные технологии
Содержание лекции: энергию Солнца можно брать не с поверхности Земли, где условия чаще всего ненадежны, а с околоземной орбиты разными способами.
Цель лекции: показать, что имеется большое количество научно – технических идей в освоении энергии Солнца и связанной с ней энергии мирового океана, что из них возьмет практика, покажет время.
Энергия Солнце вполне хватит не только чтобы обогреть нашу планету, но и вдоволь обеспечить ее электричеством. И энергию Солнца можно брать не с поверхности Земли, где условия чаще всего ненадежны, а с околоземной орбиты, где Солнце светит круглосуточно, да и плотность энергия почти в 15 раз выше, так формируют проблему гелиоэнергетики - ученые России и США.
Идея создания орбитальных электростанций - не новость. Специалисты проанализировали как достоинства, так и недостатки этого способа получения энергии. Чтобы преобразовать свет в электричество и переправить его на Землю, необходимо доставить на орбиту и развернуть там соответствующие конструкции солнечных элементов. По предварительным расчётам, их площадь может составлять 100 квадратных километров и более. В космос предстоит «забросить» десятки тысяч тонн грузов. Но ни одноразовые носители типа современных ракет, включая наиболее совершенный «Протон», ни многоразовые «Шаттлы» сегодня с такой задачей не справляются. Но американские инженеры полагают, что в конце XXI столетия таким способом можно будет транспортировать 100 ТВт электроэнергии. С учетом это в настоящее время рассматривают минимум три варианта энергоснабжения Земли из космоса. В одном из них предусматривает развертывание сотен сравнительно небольших солнечных электростанций (мощностью до 10 ГВт) на геостационарной орбите. На Луну же в таком случае доставляется только горнодобывающее оборудование и комплекс для переработки грунта. Изготовленные там элементы станции транспортируются на орбиту с помощью многоразовых буксиров, работающих на топливе, вырабатываемом из лунного грунта. При этом лунных ракет-носителей понадобится 35 раз меньше по суммарной массе, чем наземных. Есть и такой вариант: на поверхности Луны строятся крупногабаритные излучающие энергию СВЧ-станции с питанием антенных решеток от фотоэлектрических преобразователей. При мощности комплекса до 1 ГВт габариты антенн могут достигать 100 км. На окололунные орбиты выводятся отражатели солнечных лучей, а на околоземные - СВЧ-отражатели. С их помощью энергия передается в любой район Земли. При сооружении такой системы не понадобится переправлять большое количество грузов с Луны на околоземную орбиту, хотя масштабы работ все же будут немалые. Для развертывания комплексов суммарной мощностью 10 ТВт потребуется в течение 30 лет переработать около 300 млн. т грунта на Луне и создать около 200 млн. т. конструкции на орбитах Земли и ее спутника. Достоинство данного проекта - принципиальная возможность передачи энергии с Луны узко прицельными пучками за счет больших размеров передающих антенн. Наконец, прогнозируется также строительство на Луне промышленного комплекса по добыче гелия-3, который либо будет переправляться на Землю, где с его помощью на термоядерных электростанциях с экологически чистым циклом станут вырабатывать электроэнергию, либо использовать в подобных же реакторах на Луне, а уж полученную энергию переправлять на нашу планету. Этот вариант привлекателен еще и тем, что при производстве гелия-3 попутно получают водород, воду, метан, азот и другие вещества, необходимые для жизнеобеспечения обитателей лунных комплексов.
Лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается электронами в полупроводниках. Львиная доля падающего излучения идет на нагрев фотоэлемента (что, между прочим, ухудшает его фотоэлектрические характеристики), какая-то часть отражается, какая-то пронизывает его насквозь. В результате КПД стандартных солнечных элементов не превышает 18%. Впрочем, уже есть опытные образцы, полученные в лабораториях М. Кагана, А. Зайцевой (НПО «Квант»), КПД которых 23-28%. И это не предел. Экспертами посчитано, что предельный КПД для солнечных элементов с n-р-переходом составляет 45-60%. Особенно перспективными считаются полупроводниковые преобразователи с так называемыми гетера- переходами. Они изготовлены из двух различных по химическому составу полупроводников (в отличие от описанного нами одного, но легированного с двух сторон разными примесями). Примечательно, что при нагреве такие фотодиоды не ухудшают свои фотоэлектрические свойства. Они устойчиво работают даже при 1600- кратном уплотнении потока солнечной энергии. Оказывается, можно создать фотопреобразующие устройства, которые будут утилизировать практически весь падающий на них свет. Этого добиваются, вводя в разные зоны полупроводника различные примеси. Доказано, что фотопреобразователи с варизонной структурой (коль скоро научатся их изготавливать) будут иметь КПД 90%. Идет поиск новых - дешевых материалов для фотоэлементов. Весьма перспективны, по мнению некоторых исследователей, полупроводниковые соединения меди, кадмия, серы. Можно уменьшить себестоимость гелиоэлектроэнергии другим способом. Скажем, заставить Солнце... ярче освещать фотопреобразователи. Для этого используют устройства, именуемые концентраторами. Они собирают солнечные лучи с большой площади и направляют их на относительно небольшие по размеру собственно фотопреобразующие панели. Параболический концентратор. Уже само название говорит о том, что его чаша представляет собой параболоид, если ориентировать эту чашу на Солнце, то практически все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности, соберутся в небольшой области возле фокуса параболоида. Коэффициент концентрации (отношение площади, с которой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к чрезмерному нагреву фотоэлемента. Необходимо предусматривать охлаждение и систему автоматического слежения за Солнцем.
Как видно, имеется большое количество научно – технических идей в освоении энергии Солнца и связанной с ней энергии мирового океана, что из них возьмет практика, покажет время. Одно представляется неоспоримым - дополнительной энергии от Солнца, кроме той, которая поступает в естественном состоянии на Землю передавать не надо во избежании перегрева и уничтожения флоры и фауны.
Лекция 8. Новые ресурсы энергетики
Содержание лекции: тепловые насосы, ГеоТЭС, новые научные идеи в производстве и использовании энергии.
Цель лекции: показать, что энергетика быстро прогрессирует, вбирает новейшие достижения физики и других смежных наук.
Использование тепла Земли Тепловые насосы в сочетании с Автономными энергосистемами на базе НИЭ.
Если мы не внесем изменений в наше поведение, что касается получения тепловой энергии и холода, мы будем следующими, кто станет очередной жертвой парникового эффекта и изменения климата.
Тепловые насосы – это компактные, экономически и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления помещений за счет использования тепла низкопотенциального источника, путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой, а также источник холода для систем кондиционирования. Затратив 1 кВт электрической энергии, можно получить 3-7кВт энергии тепла или холода для потребителя, от возобновляемых природных источников воды, солнца, ветра и грунта.. Это может быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования, вообще любой источник тепла с температурой 1 – 2 градуса Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой металлический или полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду.
К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт*ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт*ч электроэнергии. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
Еще одним достоинством тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования воздуха летом.
Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в прилагаемых инструкциях.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в обоснованном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, срока окупаемости. Исполнительный блок теплового насоса компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.
Однако для организации теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: на организацию системы теплосъема из энергоносителя, имеющего, как правило, низкую плотность энергии, насосов и монтажа. Время окупаемости тепловых насосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта.
Массовое использования тепловых насосов в частном секторе будет когда стоимость оборудования станет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов. Правильный выбор мест для строительства какого – либо объекта с возможностью обеспечения его неисчерпаемой энергией - теплом Земли, энергией ветра и Солнца, является актуальной задачей.
Сегодня в мире действует 233 геотермальные электростанции (ГеоТЭС) суммарной мощностью 5136 мВт, строятся 117 ГеоТЭС мощностью 2017 мВт. Ведущее место в мире занимают США (более 40 % действующих мощностей в мире). Большое распространение в настоящее время в мире получили гелиоустановки горячего водоснабжения. В большинстве стран приняты законы, создающие льготные условия, как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного внедрения чистой энергии.
Энергия биомассы. К биомассе, кроме водорослей, быстрорастущих однолетних растений можно также отнести и продукты жизнедеятельности домашних животных. Фирма Kvaerner стремится получить поддержку ЕС для сооружения электростанции, действующей на курином помете. Проект входит в программу EС Thermie, которая предусматривает развитие новых, нетрадиционных источников энергии и методов сбережения энергетических ресурсов. Спроектированная финской фирмой силовая установка будет сжигать в топках 120 тысяч тонн куриного помета в год, вырабатывая 75 млн. киловатт-часов энергии.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения и достижения науки. Это понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики. Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки, полные загадок препятствия, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед. Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены. Сравните сетевой телефон с современным «мобильником» и станет ясно, что предела совершенствованию энергетических технологий нет. Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Идея "перпетуум-мобиле" - вечного двигателя, работающего без потребления энергии до полного износа деталей, пришла из глубины веков - чуть ли не со времен родоначальника механики Архимеда. Бесплодные попытки не прекратились и после того, как Французская академия наук в середине прошлого века наложила категорический запрет на рассмотрение проектов «вечных двигателей». Французских академиков можно понять. Немецкий исследователь Клаузиус в свое время опубликовал знаменитый постулат о том, что в принципе невозможно создать устройство, вырабатывающее больше энергии, чем потребляет. Он выведен на основании фактов, полученных наукой в то время. А это автоматически исключает существование вечного двигателя. Но наука не стоит на месте и постоянно открывает новые явления природы, способные участвовать в «подпитке» новых устройств «дополнительной» энергией.
Еще в 1931 году знаменитый изобретатель Никола Тесла построил легковой автомобиль, работающий по принципу «вечного двигателя». Машину разгонял источник электроэнергии с так называемым аномальным энергобалансом, то есть, когда «на выходе» получается больше энергии, чем подается «на вход». Откуда поступала дополнительная энергия в машину Теслы? Известно лишь, что в нее входили какие-то электровакуумные приборы и антенна. Автомобиль развивал скорость до 130 км/час - по тем временам просто рекордную. Почему же Тесла «закрыл» свое изобретение? Может быть, он не хотел навлечь на себя упреки в «несерьезности» своего изобретения?
Летательный аппарат Джона Серла представляет собой магнитное кольцо, вращающееся на роликах. Больше ничего о конструкции неизвестно. При достижении определенной скорости вращения аппарат начинает саморазгоняться. Тогда происходит потеря веса аппарата, и он взлетает. Как утверждают наблюдатели, присутствовавшие на испытаниях, несколько моделей потерялись, улетев неизвестно куда. Итоговый полет был проведен с управляемым аппаратом из Лондона в Корнуэлл и обратно, что в общей сложности составило 600 километров.
Таким образом, вечный двигатель, скорей всего, уже построен. И не исключено, что в XXI веке он органично войдет в наш быт. Так же как найдет применение энергия вакуума, которую исчерпать невозможно.
Ядерное горючее приходит на смену нефти, углю, древесине... Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным. То была, если можно так выразиться, «воинствующая» линия энергетики. В погоне за энергией человек все глубже погружался в устойчивый мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в 21 веке, начинается новый, значительный этап энергетики. Появилась неисчерпаемая энергетика, построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.
«Нет простых решений, есть только разумный выбор».
Список литературы
1. Н.А.Назарбаев. Стратегия радикального обновления глобального сообщества и партнерство цивилизаций. Астана,2009г. ISBN 978-601-258-009-9.
2. galspace.spb.ru/index115.html.
3. Болотов А.В. Технологии возобновляемой энергии, потенциал и перспективы освоения неисчерпаемых энергий и возобновляемых энергетических ресурсов. Труды 5-ой Международной научно – технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях», - Алматы: АИЭС, 2006, 153 – 156 с.
4. Болотов А.В., Башкиров М.В., Сидельковский В.С. Использование энергии воздушного потока и регулирование ветроэнергетических агрегатов.Труды 5 – ой Международной научно – технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях», - Алматы: АИЭС, 2006, 142- 144 с.
5. Болотов А.В. Бакенов К.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 - Электроэнергетика – Алматы: АИЭС, 2007, 39с.
6. Болотов А.В. Бакенов К.А. Электр энергетика 050718, 2008
7. Герасименко А. Солнечная энергия: подарок с небес или посредственное благо? 3dnews.ru/editorial/sun_energy.
8. Энергия космоса для Земли. Солнечная энергия - будущее Земли. solarheaters.com.ua/teplovye-nasosy.
9. viter.com.ua.
10. www.bellona.ru/reports/Energy_Kola_Peninsula/11895.
11. Розин М.П. Энергия ветра рассеяна в большом пространственном объеме.
12. rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm.
13. Васильев Г.П., Хрустачев Л.В., Розин А.Г., Абуев И.М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП «НИАЦ», 2001.— 66 с.
14. energy-bio.ru.
15. teplopol.ru/heatpump/heatpump.
16. heat-pump.ru.