Сибирский государственный аэрокосмический университет

Имени академика  М. Ф. Решетнёва 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

По дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий» 

Тема: Малая  энергетика и её перспективы. 
 
 
 

                                   Выполнил: студент группы  
 
 
 
 
 
 
 

                                        Железногорск 2009 
Оглавление. 

Введение……………………………………………………………………3

1. Что такое  малая энергетика…………………………………………….4

2. Основные направления малой энергетики…………………………….6

   2.1. Геотермальная  энергия……………………………………………...6

   2.2. Ветроэнергетика……………………………………………………..8

   2.3. Водородная  энергетика……………………………………………...9

   2.4. Энергия  приливов и отливов………………………………………12

   2.5. Преобразование солнечной энергии……………………………....14

3. Перспективы  развития малой энергетики…………………………….18

   3.1. Малая  энергетика за рубежом……………………………………..18

   3.2. В России…………………………………………………………….20

Заключение………………………………………………………………..23

Список литературы……………………………………………………….24 
Введение

   В настоящее время традиционные энергоносители становятся все более дорогими, а использование альтернативных становится все дешевле. Поэтому сейчас уже можно говорить о перспективах их массового применения, что актуально в условиях ограниченности запасов традиционных источников и экологической ситуации.

   Основным преимуществом возобновляемых источников является их экологическая чистота и неограниченность. Энергия солнца, ветра, геотермальная, приливная неограниченны, в отличии от запасов нефти и газа. Поэтому рано или поздно система энергоснабжения всех стран будет вынуждена переходить на возобновляемые источники. Но современная, уже сложившаяся система экономических отношений и энергосистема, а так же стоимость мощных установок, использующих альтернативные источники энергии, делает этот переход очень дорогим. К тому же генераторы, использующие определенные виды возобновляемой энергии (ветра, приливные, геотермальные) привязаны к определенным территориям, что сильно затрудняет их повсеместное использование. Еще очень важным является то, что электростанции, использующие альтернативные источники энергии, обладают сравнительно малой мощностью и не могут обеспечивать потребности промышленности, потребляющей большую часть производимой электроэнергии. 
 
 
 
 
 

1. Что такое малая энергетика.

   Вопросы экологии все сильнее влияют на нашу жизнь. Как известно здоровье человека на 20% зависит от экологии, это больше, чем от уровня развития медицины. Современные наиболее используемые источники электроэнергии это гидро-, тепло- и атомные электростанции. Но они не экологичны. Малая энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая выведет Россию из продолжительного социально-экономического кризиса на путь устойчивого развития. Возобновляемые энергоресурсы энергии распределены относительно равномерно, поэтому лидерство в их использовании скорее всего завоюют страны с квалифицированной рабочей силой, восприимчивостью к нововведениям, эффективными финансовыми структурами и стратегическим предвидением. Уменьшение зависимости энергопотребителей от централизованных энергосетей и энергетических монополистов станет важнейшей особенностью энергетики XXI века.

   Возможности новых технологий очень широки - достаточно проследить путь, пройденный за два десятилетия компьютерной отраслью (от производства громоздких электронно-вычислительных и допотопных счетно-решающих машин до компактных карманных ноутбуков).

   Если XX век можно назвать “нефтяным”, то XXI век реально может стать эрой водородной энергетики. Ученые считают, что открытие дешевого и эффективного способа электролиза воды могло бы превратить водород в господствующий энергоноситель в недалеком будущем. Так, большие перспективы открываются у топливных элементов. Топливные элементы сегодня применяются в легковых автомобилях, автобусах, больницах, на военных базах, предприятиях по переработке промышленных стоков, разрабатываются они и для сотовых телефонов, ноутбуков. Использование малогабаритных топливных элементов и других альтернативных возобновляемых автономных источников энергии позволит децентрализировать энергосистему, сократить расстояние между источником энергии и ее потребителем.

   Ветроустановки, как и солнечные электростанции, особенно эффективны в небольших поселениях, для автономных энергопотребителей, отдаленных от централизованных систем энергоснабжения. Для них энергия ветра и Солнца является самым экономичным источником электричества. Характерен в этом отношении пример Дании, разбросанной на многочисленных островах, которые трудно объединить централизованной энергосистемой.

   Все шире используется на Севере и энергия приливов. В России на северном побережье Кольского полуострова построена Кислогубская приливная электростанция (ПЭС). Опыт эксплуатации этой станции позволил разработать новое проектное решение для строительства ПЭС на Кольском полуострове мощностью до 40 тыс. кВт.

   В Тургурском и Пенжинском заливах Охотского моря, в районе Шантарских островов (здесь приливы достигают 13 м), перспективно строительство приливных электростанций мощностью от 7 до 25 млн. кВт.

   Малая энергетика традиционно  решает задачи увеличения стабильности  и надежности всей энергетической  системы государства. Каким образом это достигается? Прежде всего - за счет создания дополнительных генерирующих мощностей, повышения эффективности энергетической системы на региональном и муниципальном уровнях, снижения технологических потерь путем приближения генерирующих мощностей непосредственно к потребителю и сокращения объемов транспортировки. Малая энергетика позволяет повысить энергетическую безопасность, диверсифицировать топливно-энергетический баланс государства за счет увеличения использования местных видов топлива.

2. Основные направления малой энергетики.

     2.1. Геотермальная энергия.

   Объем Земли составляет примерно 1085 млрд. куб. км, и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру. Сколько тепла заключено внутри Земли - неизвестно, однако, если судить по извержениям лавы, а также по таким менее явным проявлениям, как термальные источники, гейзеры и фумаролы, его вполне достаточно, чтобы обеспечить большую часть человечества необходимой энергией. Если при этом учесть объем внутренней части земли и теплоёмкость пород, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём эта энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. В некоторых районах природа сама 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 термальными водами из источников или скважин можно обогревать жилища и теплицы, а также использовать их для обеспечения энергией низкотемпературные химические процессы. Однако в целом, особенно с учетом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире пока крайне ограниченно.

   В настоящее время имеются идеи и техническая база для изменения сложившейся ситуации. Вполне вероятно, что через несколько лет геотермальная энергия станет, наконец, широко доступной, причем с точки зрения финансовых затрат, предпринимаемых усилий и проблем защиты окружающей среды это будет соответствовать возможностям человечества. Тогда этот давно известный вид энергии окажет значительное влияние на решение двух основных мировых проблем: исчерпание запасов природных топлив и неконтролируемое загрязнение окружающей среды.

   При непосредственном использовании природного пара или пара, образующегося при вскипании перегретой воды, для производства электроэнергии от него отделяют твердые частицы путем пропускания пара 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 выходы природного пара или перегретых вод, вскипающих с образованием достаточного количества пара.

   Гораздо более распространенными являются естественные подземные бассейны термальных вод с температурами, меньшими температуры кипения. Именно они образуют многочисленные термальные источники. В течение тысячелетий люди использовали их для восстановления сил и лечения, в религиозных обрядах и для бытовых нужд. В настоящее время термальные воды с экономической выгодой применяются для обогрева жилищ, теплиц, курортов, а иногда и целых фабрик, рудников и даже городов. В целом термальные воды можно рассматривать как дешевый источник низкопотенциальной тепловой энергии, а их использование имеет много преимуществ, позволяя сберечь высокопотенциальную тепловую энергию для более нужных целей и снижая загрязнение окружающей среды.

   Природные горячие воды с умеренными температурами, значительно превышающими температуру кипения, но не настолько, чтобы быть экономически выгодным источником пара для обычных тепловых электростанций, встречаются в больших количествах в нескольких районах мира, в частности в долине Импириал-Валли (шт. Калифорния, США). Однако эти воды используются лишь в отдельных районах главным образом для обогрева помещений. Техника, необходимая для использования такого большого источника геотермальной энергии, быстро развивается. Имеются демонстрационные установки, которые опресняют растворы и производят электроэнергию с помощью турбин, работающих на паре низкокипящих органических жидкостей. Одна из таких демонстрационных установок мощностью 10 МВт в Импириал-Валли начала действовать летом 1976.

   Пока, к сожалению, не существует даже демонстрационных установок, извлекающих энергию из горячих "сухих" пород, которые составляют большую часть земной коры. Из-за отсутствия проницаемости и поступлений подземных вод они не дают пока необходимых количеств пара или горячей воды. Однако такие резервуары энергии столь обширны, столь доступны и во многих случаях имеют столь высокую температуру, что, наконец, привлекли серьезное и заслуженное внимание. В частности, соответствующая экспериментальная система создается в Лос-Аламосе (США). Здесь образована большая гидравлически связанная система, Для чего пробурены две скважины на глубину ~ 3 км, где температуры пород составляют 200-250°С. Через одну скважину будет под большим давлением закачиваться вода. Через вторую скважину, пробуренную после определения размера, формы и ориентации структуры трещин, будет извлекаться горячая вода. Предполагается, что система в течение долгого времени сможет обеспечивать работу электростанции мощностью ~100 МВт. 

2.2. Ветроэнергетика.

   Главное в ветроэнергетике — ветер. При постоянном сильном ветре любая ветроэнергетическая установка (ВЭУ) будет вырабатывать электроэнергию, а без ветра даже самые лучшие ВЭУ бесполезны. Ветряная энергия является наиболее используемой, среди возобновляемых источников.

   Для традиционных ВЭУ недостаточен ветер со скоростью 5—6 м/с. Поэтому существует убеждение, что если нет ветра со скоростью более 10 м/с, то ветроэнергетика не может претендовать на альтернативу традиционным поставщикам электроэнергии. Однако инновационные технические решения все же позволяют использовать слабый ветер и эффективно генерировать электроэнергию без вреда для окружающей среды. Примером является ветроэнергетическая парусная установка. Парус и ВЭУ кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенным устройством, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которое непосредственно использует энергию ветра для движения.

   Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. (Считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра выше 4-5 м/с.) Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт, Успешно работают ветроэлектростанции на Новой Земле, в Амдерме, на мысе Уэлен, на островах Врангеля, Шмидта, Командорах (остров Беринга). Ветроустановки успешно заменяют на Севере малые дизельные электростанции, для работы которых необходимо завозить дорогостоящее (иногда импортное) топливо.

   Ветроэнергетика сейчас считается наиболее перспективной отраслью для инвестирования, но сделать точный прогноз ее развития довольно затруднительно. Использование данных и прогнозов из различных источников позволяет предположить, что себестоимость ветроэнергии будет составлять 64-74% в 2010 г. и около 41-55% в 2020 г. по сравнению со среднеотраслевой ценой ветровой электроэнергии в 2000 г. Ветровая электроэнергия станет дешевле электроэнергии, получаемой на тепловых электростанциях, использующих ископаемое топливо, уже в 2006 г., и это послужит одним из факторов, ускоряющих снижение себестоимости электроэнергии в целом. 

2.3. Водородная энергетика.

    Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать  идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова  разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и. т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.