Альтернативные источники энергии

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГБОУ ВПО «Великолукская ГСХА»

 

Инженерный факультет

 

 

«АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ»

 

 

выполнила: студентка 46 группы Хмелевская Л.С.

Руководитель: к.т.н., доцент Карасев Ю.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Великие Луки

2012 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ  СОЛНЦА 5

Физические  основы процессов преобразования солнечной  энергии. 5

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС). 7

Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС). 10

Достоинства солнечной электроэнергетики. 12

Перспективы развития. 12

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи  света. 14

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА 15

Что такое  гидроэнергетика. 15

Плотина. 17

Принцип работы гидроэлектростанции. 19

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 23

Знакомимся  с геотермальной энергетикой. 23

Достоинства и недостатки. 23

Перспективы развития. 28

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ  БИОМАССЫ 30

Одновременное получение холода, тепла и электроэнергии из биогаза. 32

Достоинства и недостатки технологии. 32

Особенности установки и использования. 34

Области применения когенерационных систем. 35

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ  ВЕТРА 38

Ветроэнергетика. 38

Ветроэлектростанция в домашнем хозяйстве. 40

Сравнение генераторов для домашней электростанции. 42

Выбор места  установки ветродвигателя. 46

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 47

Современные и перспективные методы производства водорода. 50

Использование водорода. 52

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 55

ВВЕДЕНИЕ

Вся современная мировая  экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом  воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно  во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции. Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества?

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные — где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции — на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики — нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит  от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

 

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

Физические основы процессов преобразования солнечной энергии.

На поверхность Земли  в течение года поступает солнечная  энергия, эквивалентная энергии, заключенной  в 1,2 • 10¹⁴ту.т., что значительно превышает запасы органического топлива (6 • 10¹² т у.т.).

Ежедневно на Землю поступает  около 4,2 • 10¹⁴ кВт-ч, а всем населением Земли в 2007 г. было израсходовано (за год) 94 • 10¹² кВт-ч.

Таким образом, поступающая  к нам солнечная энергия в принципе многократно превосходит энергетические потребности человечества. Однако использование солнечной энергии связано с определенными трудностями, что ограничивает широкомасштабную реализацию технологий. К ним относятся: малая плотность солнечного потока, непостоянство и прерывистость поступления солнечной энергии во времени; зависимость этого потока от географического расположения приемника излучения и др.

Основное направление  использования солнечной энергии — преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для отопления зданий, горячего водоснабжения, опреснения вод, сушки и других технологических целей.

Преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено по следующим двум принципиальным схемам:

• термодинамическим способом на обычных тепловых электростанциях (ТЭС); эта схема ориентирована на сооружение крупных гелиоэнергетических объектов и получение электроэнергии в больших масштабах;
• на фото- или термодинамических элементах.
• Фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии

в электрическую, основанное на особенностях электронной проводимости диэлектриков, в настоящее время является одним из приоритетных направлений ее использования.

Гэлиоэнергетическая установка башенного типа PS10 в действии.

 

 

 

 

 

 

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС).

В настоящее время наибольшее распространение получили три типа СТЭС:

• башенного типа (БТ) с центральным приемником — парогенератором, на теплоприемной поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал — гелиостатов;
• модульного типа (МТ), у которых в фокусе параболоцилиндрических концентраторов (ПЦК) размещены вакуумированные приемники — трубы с теплоносителем (парогенераторы);
• комбинированные (КТ): это солнечно-тепловые СТЭС, в которых чисто солнечная электростанция того или иного типа (БТ или МТ) объединяется с теплоэлектростанцией.

Практические работы по созданию первых экспериментальных СЭС БТ начались одновременно в ряде стран  мира в середине 1970-х гг.

В нашей стране основные технические концепции крупных  экспериментальных СЭС БТ были разработаны в 1950-е гг. Однако первая опытная СЭС БТ электрической мощностью 5 МВт была пущена в эксплуатацию в 1987 г. (Крымская область). Эта СЭС может вырабатывать в год около 7 млн кВт-ч электроэнергии (эквивалент 2 тыс. т у.т.).

С 1983 г. в ряде стран —  США, Японии, Франции, Италии, Испании — проходили испытания (натурные экспериментальные исследования и сравнение различных технологий, первые СЭС БТ мощностью 0,5... 10 МВт). К ним относятся: Солар-1 (Баретоу, США, 10 МВт); Темис (Мартисон, Франция, 2,5 МВт); Юрелиос (Адрино, Италия, 1 МВт); Цеза-1 (Альмерин, Испания, 0,5 МВт); Саншайн (Нио, Япония, 1 МВт), всего общая мощность — 21,2 МВт. Стоимость установки Солар-1 составляла 141 млн дол. (КПД — 11%).

С 1988 г. в США (Южная Калифорния) работает 7 крупных СЭС МТ мощностью  от 15 до 80 МВт. Все станции включены в общую энергосистему. Общая мощность СЭС составляет 243,8 МВт, КПД — 4... 16%. К 1989 г. завершено строительство первой очереди СЭС КТ — СТЭС мощностью 200 МВт.

Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преобразования теплоты в работу. В СТЭС башенного типа теплоприемник-парогенератор кругового облучения или плоскостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни (теплоприемник кругового облучения) или с ее северной стороны (теплоприемник плоскостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают солнечные лучи на поверхность теплоприемника. Водяной пар, полученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется по обычной схеме с циклом Ренкина.

В настоящее время разрабатывается  новая концепция СТЭС башенного типа, в которой рабочим телом служит сжатый воздух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температуры 1000°С и направляется в газовую турбину.

Вдоль линейного фокуса каждого  параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной трубы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганическое масло), проходя через теплоприемник, нагревается до температуры 390°С и передает теплоту воде и водяному пару.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Солнечные фотоэлектрические  станции (СФЭС).

В настоящее время метод  фотоэлектрического преобразования в  мире стал одним из приоритетных направлений  использования солнечной энергии. Это обусловлено тем, что он обеспечивает:

• максимальную экологическую чистоту преобразования энергии;
• возможность получения энергии практически в любом районе;
• значительный срок службы;
• малые затраты на обслуживание;
• независимость эффективности преобразований солнечной энергии от установленной мощности.

Фотоэлектрические источники  находят применение для питания  потребителей в широком интервале  мощностей: от мини-генераторов для  часов и калькуляторов мощностью  несколько Вт до центральных электростанций мощностью несколько МВт.

Сейчас свыше 30 стран мира используют процесс прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для различных целей. Суммарная мощность произведенных во всем мире солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФЭП) или солнечных батарей составила в 1990 г.— 51 МВт, в том числе: США — 35%, Япония — 34%, европейские страны — 19%, другие — 12%.

Используются несколько  типов фотопреобразователей (ФП): кремний монокристаллический (22 дол. США/Вт; КПД модуля— 15%), поликристаллический (5; 12%), аморфный (8; 5%), арсенид галлия (50; 22%), теллурид кадмия (фосфид индия, арсенид галлия — кремния, диселенид меди — индия).

Ведущими типами ФП сейчас являются монокристаллический (МК) и  поликристаллический (ПК) кремний, объем  выпуска которых около 70%.

Промышленное использование  аморфного кремния началось с 1980 г. Эти фотопреобразователи (однослойной структуры) сейчас (КПД — 5...7%) используются для мини-ЭВМ, электрических часов, систем катодной защиты трубопроводов и др. В дальнейшем при повышении КПД более 10% (до 24%) за счет использования каскадных структур эти преобразователи могут использоваться в ФЭС (фотоэлектрических станциях).

Сейчас ФЭС используются для электрификации изолированных  объектов: теплиц, ферм, горных пастбищ, жилых домов и т.п.

В странах ЕС действует  программа «Солнечная энергия».

В Германии будет построено 2250 ФЭС мощностью 1...5 кВт; действует программа «Тысяча крыш», предусматривающая электрификацию 1000 одно- и двухсемейных домов; в Швейцарии действуют ФЭС максимальной мощностью 3 кВт, ФЭС мощностью 110 кВт; в Италии намечено довести к 2012 г. общие мощности ФЭС до 25 МВт за счет ФЭС мощностью 100, 200, 300 кВт.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Достоинства солнечной  электроэнергетики.

Перспективы развития.

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды  лет поступает на Землю, и все  земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2х10¹² т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами — 6х10¹² т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико-математических наук Б. Лучков.

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

Чтобы усилить поток солнечной  энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более  других распространены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.