Возобновляемые источники энергии

 

Введение.

На современном этапе  развития цивилизации экономический  рост в любой стране самым тесным образом связан с функционированием  топливно-энергетического комплекса. При этом наиболее конкурентоспособными являются те страны, где энергетические ресурсы используются в максимальном объеме и с высокой степенью эффективности. Экономика России базируется на невозобновляемых углеводородных топливно-энергетических ресурсах, причем, в большей степени, чем в большинстве промышленно развитых стран мира

Разведанные запасы традиционных углеводородных ресурсов в России пока позволяют обеспечивать текущие  потребности национальной экономики  и получать существенные доходы от экспорта энергоносителей. В то же время  с каждым годом наблюдается ухудшение  горно-геологических условий добычи горючих полезных ископаемых. С начала 90-х годов прошлого века восполнение  запасов углеводородных ресурсов отстает  от темпов роста их добычи.

В перспективе будут постоянно  возрастать требования к защите окружающей среды при сжигании традиционных углеводородных ресурсов. Снижение энергоемкости  российской экономики в отличие  от ведущих промышленно развитых стран не являлось следствием комплексного проведения энергосберегающих мероприятий. В данном случае сыграли свою роль факторы, связанные со спадом производства, глобальным потеплением климата, повышением доли природного газа в энергетическом балансе и изменением структуры  производства ВВП в сторону увеличения доли производства услуг. Производство услуг обычно менее энергоемко по сравнению с производством товаров.

Если разрыв в уровне энергоемкости  ВВП будет сохраняться, то это несомненно окажет негативное воздействие на конкурентоспособность российских товаров на мировом рынке.

 Уже в ближайшей перспективе все большую часть прироста национальных потребностей России в топливе и энергии необходимо будет обеспечивать за счет мероприятий по энергосбережению. В основных положениях Энергетической стратегии России до 2020 года энергосбережение предполагается в основном осуществлять за счет организационных и технологических мероприятий, направленных на более эффективное использование традиционных видов топливно-энергетических ресурсов.

Следует, однако, подчеркнуть, что энергосбережение - это не только внедрение технологий, позволяющих  увеличить эффективность использования  традиционных энергоносителей, но также  и диверсификация энергобаланса  за счет использования альтернативных источников энергии. К сожалению, последнему аспекту в стратегии энергосбережения уделяется недостаточно внимания.

 В стратегическом плане  среди альтернативных источников  энергии наиболее важную роль  будут играть возобновляемые  источники энергии (ВИЭ). Среди  них особый интерес представляют  нетрадиционные возобновляемые  источники энергии (НВИЭ): энергия  солнца, ветра, тепла земли, малых  рек, океана, биомассы и торфа.

В данном реферате мы рассмотрит возобновляемые источники энергии, их достоинства и недостатки,   и перспективы использования ВИЭ в России.

 

 

 

Глава 1. Характеристики возобновляемых источников энергии и основные аспекты их использования в России.

1.1. Возобновляемые источники энергии.

Это   виды энергии, непрерывно возобновляемые в биосфере Земли. К ним относится   энергия солнца,  ветра,  воды (в  том числе сточных вод), исключая  применения данной энергии  на гидроаккумулирующих  электроэнергетических станциях. Энергия  приливов,  волн водных объектов, в  том числе водоемов, рек, морей, океанов. Геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей. Низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с применением особых  теплоносителей. Биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива. А также биогаз; газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов; газ, образующийся на угольных разработках.

Теоретически возможна и энергетика, основанная на использовании энергии  волн, морских течений, теплового  градиента океанов (ГЭС установленной  мощностью более 25 МВт). Но пока она не получила распространения.

Способность источников энергии возобновляться  не означает, что изобретен вечный двигатель. Возобновляемые источники  энергии (ВИЭ) используют энергию солнца, тепла, земных недр, вращения Земли. Если солнце погаснет, то Земля остынет, и ВИЭ не будут функционировать.

 

 

 

 

1.2. Преимущества  возобновляемых источников энергии в  сравнении с традиционными.

Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит  от величины поставок и уровня цен на него, конъюнктуры рынка.

Возобновляемая энергетика  базируется на самых разных  природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики,  а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.

Независимость ВИЭ от топлива  обеспечивает энергетическую безопасность страны и  стабильность цен на электроэнергию

ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы.   Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.

В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут  работать без прямого участия человека.

В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо- и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т. д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта  наукоемкого оборудования.

 

1.3. Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии.

И в России, и в мире - это  гидроэнергетика.  Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.

Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные  мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих  странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.

Доля солнечной энергетики относительно небольшая  (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но  имеет положительную динамику роста.

Геотермальная энергетика имеет важное местное значение. В частности, в  Исландии такие электростанции вырабатывают около 25% электроэнергии.

Приливная энергетика пока не получила значительного развития и представлена несколькими пилотными проектами.

1.4. Состояние возобновляемой энергетики в России.

Этот вид энергетики представлен  в России  главным образом крупными гидроэлектростанциями, обеспечивающими  около 19% производства электроэнергии в стране. Другие виды ВИЭ в России пока заметны слабо, хотя в некоторых  регионах, например на Камчатке и Курильских островах, они имеют существенное значение в местных энергосистемах. Суммарная мощность малых гидроэлектростанций  порядка  250 МВт, геотермальных электростанций - около 80 МВт. Ветроэнергетика позиционируется  несколькими пилотными проектами  общей мощностью менее 13 МВт. Приливная  энергетика ограничена возможностями  экспериментальной Кислогубской ПЭС.

Глава 2. Обзор возобновляемых источников энергии.

2.1.Энергия солнца.

Солнечная энергетика — использование  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе  может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов

2.1.1. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

Преобразование энергии в фотоэлементах  основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.Неоднородность структуры фотоэлементов может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлементов , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

 

• гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

Солнечный водонагреватель.

 

Устройство  состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и  труб. Короб стационарно  устанавливается  под углом 30-50° с ориентацией  на южную сторону. Холодная, более  тяжелая, вода постоянно поступает  в нижнюю  часть короба, там  она нагревается и, вытесненная  холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована  для отопления, для душа либо для  других бытовых нужд.  Дневная  производительность на широте  50°  примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе  достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

• “Солнечный парус” — приспособление, использующее давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Давление  солнечного света чрезвычайно мало (на Земле — около 5·10^-6 Н/м ) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Но солнечный парус не требует ракетного топлива, и может действовать в течение длительного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Эффект солнечного паруса использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов, в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. Однако на сегодняшний день ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.

• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

 

2.1.2. Практическое использование солнечной энергии.

a) Солнечные коллекторы-концентраторы.

Солнечный коллектор — устройство для сбора энергии Солнца, переносимой  видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Солнечные коллекторы применяются  для отопления промышленных и  бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов  и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых  используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и  текстильной промышленности, которые  таким образом имеют самый  высокий потенциал для использования  солнечных коллекторов. В Европе в 2000 г. общая площадь солнечных  коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м². Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов

 

 

 

b) Параболоцилиндрические концентраторы

Параболоцилиндрические концентраторы  имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой. Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C.Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.С 1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт•ч.Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.В июне 2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.