Нетрадиционные источники энергии

Ввод в строй новых мощностей в 2005 году:

Германия — 57 % Япония — 20 % Остальной мир — 10 % США — 7 % Остальная Европа — 6 %

Всего за 2005 год установлено 1460 МВт.

Доля стран в суммарных установленных мощностях (2004 год):

Германия — 39 % Япония — 30 % Остальной мир — 14 % США — 9 % Остальная Европа — 8 %

Производство фотоэлектрических элементов в мире выросло с 1146 МВт. в 2004 г. до 1656 МВт. в 2005 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 46 % мирового рынка. Япония увеличила производство на 38 %. В Европе производится 28 %. Три крупнейшие компании в Европе — германские: Q-Cells, Schott Solar и Sunway. В США было произведено 156 МВт. фотоэлектрических элементов, что составляет 10,6 % мирового производства.

В 2005 году установленные мощности выросли на 39 %, и достигли 5 ГигаВт. Инвестиции в 2005 году в строительство новых заводов по производству фотоэлектрических элементов составили $1 млрд.

Несмотря на 12 % рост мощностей по производству кремния, стоимость кремния выросла на 25 %. Из-за дефицита кремния производство фотоэлектрических элементов в 2006 году вырастет всего на 10 %.

К 2010 году установки фотоэлектрических элементов достигнут 3,2-3,9 ГигаВт. в год. Выручка производителей составит $18,6 -$23,1 млрд. в год.

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт.

Японские фирмы в 2004 г. произвели 48 % оборудования, США 11 %. В 2000 году американские фирмы занимали 26 % мирового рынка. 4 компании занимают около 50 % мирового рынка солнечных элементов и батарей: Sharp, Kyocera, BP Solar, и Shell Solar. В 2005 году Sharp увеличил производство на 32 %, Kyocera на 35 %. Sanyo произвела за 2005 год 105 МВт. фотоэлектрических элементов, и переместилась с 7-го места в мире на 4-е.

Когда установленные мощности фотоэлектрических элементов во всём мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой падает на 20 %-30 %.

Энергия океана

Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс

планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м). Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения

(λ >10 мкм) переизлучается, а частично  передается в атмосферу теплопроводным  пограничным слоем и вследствие  испарения. Относительная роль этих  процессов различна для разных  районов планеты, но на широтах  от 70° с. ш. до 70° ю. ш. характеризуется  примерно одинаковыми значениями [2.9]: длинноволновое излучение в  атмосферу и космическое пространство 41 %;

передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испаре-

ние 54 %.

За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энер-

гия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с.

ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш.

вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности

океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и

около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т. п.

Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане

и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %;

расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии

рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно

0,02 % всей энергии воспринятого  солнечного излучения идет на  образова-

ние продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.

Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей

из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков

те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно

трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различ-

ных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в тре-

буемые для хозяйственной деятельности виды энергии.

Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) вы-

полнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей раз-

личных океанических источников энергии за пять лет – с 1977 по 1982 г. Со-

ответствующие данные приведены на диаграммах рис. 2, на которых от-

мечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихо-

ван). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и

экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использо-

ванию энергии оказались ниже.

Рис.2. Распределение океанских источников энергии по мощности (пра-

вые столбцы – по оценкам 1977 г. [1.89], левые – по оценкам 1982 г. [1.81]).

Огромные количества энергии можно получить от морских волн.

Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квад-

рату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют

длиннопериодные (T ≈10 с) волны большой амплитуды (a ≈2м), позволяю-

щие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.

Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывает-

ся для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий

тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превы-

шает величину половины длины волны λ /2.

Преобразование энергии волн.

В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на раз-

работке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, назван-

ной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобра-

зователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает мак-

симальное извлечение мощности (рис.3).

Рис.3. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б –

вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилинд-

рическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 –

асимметричный поплавок.

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндриче-

ская форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распро-

странения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может

быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить

минимум отражения энергии. Отражая и пропуская лишь незначительную

часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой

эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждаю-

щих колебаний (рис.4).

Рис.4. Эффективность «утки Солтера» (диаметр 15 м, ось зафиксиро-

вана).

Геотермальная энергия

- в дословном переводе значит : земли тепловая энергия.

Объём Земли составляет примерно 1085 млрд. куб. км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру. 
Если учесть ещё и теплоёмкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. 
В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы ( островное государство на севере Атлантического океана - Исландия; и наши Камчатка и Курилы) 
Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено. 
Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. 
"Стоимость топлива" такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых ( то есть, с температурой гораздо выше 100oС ) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара. 
Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с

геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи,

когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м.

Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На

глубине 400-600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура

доходит до 150-200 °С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерза-

нии верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной

мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород дос-

тигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8

тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая сту-

пень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях терри-

тории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая:

500 м – не выше 20° С, 1 тыс. м  – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60° С; 3-4 тыс. м –

до 100° С и более.

Подземные термальные воды (гидротермы)

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий

энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних

геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в по-

родах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях ман-

тии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при темпера-

туре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.

На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазово-

сти, т. е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.

В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, завися-

щей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород,

содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре

следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной

оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару толь-

ко на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная

оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не толь-

ко горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с

температурой 180-200° С и выше.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обуслов-

ливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температу-

рой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитер-

мальные, мезотермальные и гипотермальные.

К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей во-

ды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных по-

род, куда проникают почвенные воды.

К мезотермальным источникам относят источники с температурой

воды 100-200 °С.

В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превы-

шает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.

Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью

тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в

пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепло-

вым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.

Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника

лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический рас-

плав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с

газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холод-

ные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсиро-

ваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов

– так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного)

типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые

никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом

смысле слова являются первичными, новообразованными_______. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и

океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-

только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых

платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды ин-

фильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от

магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее

движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод

этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхност-

ные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти

воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути

движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы,

нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они

становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических усло-

виях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т. е. с тем-

пературой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину м.

Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в

виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на

поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более

низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода остава-

лась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быст-

ро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гид-