Альтернативные источники энергии

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают  перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1 —10 МВт построены во многих странах  с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились  проекты более мощных солнечных  электростанций (до 100 МВт).

Примечание.

Главное препятствие  на пути их широкого распространения  солнечных электростанций — высокая себестоимость электроэнергии: она в 6—8 раз выше, чем на ГЭС.

Но с применением более  простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов  себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света.

Существуют два основных способа преобразования солнечной  энергии:

• фототермический;
• фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой  конструкции площадью 1 м² за день может нагреть 50—70 л воды до температуры 80—90 °С.

Использование солнечных  коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных  районах.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов  едва доходил до 1%, об этом говорил  основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение  ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.

 

 

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

Что такое гидроэнергетика.

Гидроэнергия  — энергия, сосредоточенная в  потоках водных масс в русловых водотоках  и приливных движениях. Чаще всего  используется энергия падающей воды.

До середины XIX века для  этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины.

До конца XIX века энергия  вращающегося вала использовалась

непосредственно, например:

• для размола зерна на водяных мельницах;
• для приведения в действие кузнечных мехов и молота.

Но когда наступил золотой  век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье (в виде водяной турбины). Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся.

Примечание.

Можно считать, что  современная гидроэнергетика родилась в 1891 году.

Сейчас практически вся  механическая энергия, создаваемая  гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотина.

Для повышения разности уровней  воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины.

Плотина — это массивная перемычка, цель которой удерживать водный поток, это незаменимый инструмент при практическом использовании водных ресурсов.

Кстати, в течение долгого  времени теории строительства плотин не существовало. Только в 1853 году французский  инженер Сазилли обосновал некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают повышение уровня воды в реке или ее отвода. В последнем случае плотины обеспечивают судоходство или орошение земель.

Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции  и разделяться на две группы:

• гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные заграждения и препятствуют поступлению воды своим весом;
• арочные плотины выполняют свои обязанности благодаря особой конструкции.

Успешное функционирование арочных плотин зависит от трех показателей:

• сопротивления вертикальных элементов сооружения;
• массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается на береговые устои.

При возведении плотины необходимо учитывать воздействие некоторых внешних факторов. Это так называемые сдвигающие силы, появление которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определенные расчеты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.

Например, горизонтальная составляющая давления воды увеличивается с глубиной и равна:

где w — вес единицы объема воды; h — глубина.

Очень важно и вместе с  тем достаточно сложно точно рассчитать фильтрационное давление, которое воздействует на подошву конструкции из-за того, что под нее просачивается вода. Чтобы определить степень вероятности таких процессов, необходимо проведение исследований. При этом многое зависит от грунтового ложа. Если фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, пористой породе, то давление на основание конструкции будет равно полному гидростатическому напору.

В том случае, когда основание  плотины соединено со скальными  породами при помощи цемента и  щели практически отсутствуют, можно  получить давление, равное всего лишь 10—40 процентам гидростатического  напора.

Гидроэлектростанция.

Принцип работы гидроэлектростанции.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны:

• постоянно возобновляемый самой природой запас энергии;
• простота эксплуатации;
• отсутствие загрязнения окружающей среды.

Да и опыт постройки  и эксплуатации водяных колес  мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса.

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор  воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В  некоторых случаях для получения  необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Схема плотины  ГЭС.

 

Непосредственно в самом  здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Таким образом, в гидроэлектростанции  кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем — в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водозаборному гидроузлу гидроэлектростанции.

Мощность гидроэлектростанции  определяется, прежде всего, по функции двух переменных:

• расход воды, выраженный в кубических метрах в секунду (м³/с);
• гидростатический напор, который является разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды.

Проект станции может  основываться на одной из этих переменных или на обеих.

Примечание.

С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика — технология с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций.

Причина в том, что объем  воды, падающий вертикально, несет в  себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко  преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества.

Оборудование для гидроэнергетики  достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надежное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС — более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы XX века — первый этап расцвета гидроэнергетики — все еще в действии.

Так как всеми существенными  рабочими процессами можно управлять и контролировать их дистанционно через центральный узел управления, непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе гидроэлектростанции мощностью от 1 кВт до сотен мегаватт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Знакомимся с  геотермальной энергетикой.

Достоинства и  недостатки.

Геотермальная энергетика – производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в недрах Земли.

Востребованность геотермальной  энергии обусловлена такими факторами:

• истощением запасов органического топлива;
• зависимостью большинства развитых стран от импорта топлива (в основном импорта нефти и газа);
• существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.

Все же, применяя геотермальную  энергию, следует в полной мере учитывать  ее достоинства и недостатки.

Источники геотермальной  энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

• месторождения геотермального сухого пара — сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;
• источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) — встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности;
• месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) — представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;
• сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) — их запасы энергии наиболее велики;
• магма, представляющая собой нагретые до 1300°С расплавленные горные породы.

Главным достоинством геотермальной  энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры):

• для нужд горячего водо- и теплоснабжения;
• для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей.

Кроме того следует отметить:

• ее практическую неиссякаемость;
• полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Тем самым использование  геотермальной энергии (наряду с  использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем.

• Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т. п.).
• Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т. п.
• Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.