Нетрадиционные источники энергии

Нефтяной кризис, разразившийся в 1973 году и затронувший страны запада, а также возникшее общественное движение «зелёных», активно выступавших против загрязнения воздуха и окружающей природы продуктами горения топлива, стали мощным стимулом развития таких нетрадиционных источников энергии, как ветровая, солнечная, геотермальная, энергия приливов и отливов.

Из возобновляемых ресурсов именно ветер оказался самым дешёвым: стоимость одного киловатт-часа электроэнергии, получаемой в Западной Европе из ветроэнергетических установок (ВЭУ) в пять раз дешевле электричества, которое дают солнечные батареи.

Использовать ветер на суше люди научились с давних времён. В средние века ветряные мельницы были неотъемлемой частью сельского пейзажа. Крылья мельницы, приводимые в движение ветром, передавали полученную энергию жерновам, а те, вращаясь, перемалывали зерно в муку. Самый старый ветряк из сохранившихся – мельница близ нидерландского города Зеддам, построенная в середине XV века. А в 1738 году в тех же Нидерландах построили ветряную мельницу с размахом крыльев в 29 метров. Между тем в Азии ветряные двигатели возникли намного раньше, чем в Европе. В Китае в 3000 году до нашей эры уже работал ветряной двигатель. Он приводил в движение насос, подававший воду для орошения рисовых полей.

Конечно, современные ветряки отличаются от средневековых. Но и у тех, и у других есть один общий элемент: колесо с лопастями. Оно располагается обычно на высоте от 60 до 100 метров. Самая же высокая башня с ветряком построена в Германии, под Магдебургом. Её высота составляет 135 метров. Верхняя часть современной ветроэнергетической установки представляет собой вращающуюся гондолу, которая сама разворачивается навстречу ветру. Набегающий поток ветра давит на лопасти и заставляет вращаться колесо ветряка. Через редуктор (систему передач) вал колеса соединяется с валом электрогенератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Минимальная скорость ветра, достаточная для того, чтобы колесо начало вращаться, – от 3 до 5 метров в секунду. Территории, на которых установлены десятки ветряков, называются ветропарками. Ветропарки нередко размещают на материковых отмелях (шельфах), так как на море скорость ветра больше.

В 1980-х годах вблизи датского города Ульфборг была построена ветроэнергетическая станция «Ивинд» мощностью 1 мегаватт. Теперь вокруг башни «Ивинд» вырос целый лес ветроэнергетических установок. Уже к 2030 году Дания планирует получать половину всего необходимого стране электричества с помощью ветра. А пока мировым лидером по освоению ветроэнергетики является Германия. Что же касается России, то здесь её достижения скромны. Богатейшие залежи нефти, газа и угля не подстёгивают нас к освоению этого экологически чистого производства электроэнергии, хотя в пределах России условия для развития ветроэнергетики очень благоприятны.

Специалисты по альтернативным видам энергии стран Европейского Союза строят грандиозные планы на будущее. Они обращают свой взор на Северную Африку. По их мнению, на бросовых, никому не нужных пустынных землях Марокко и Мавритании, где почти непрестанно дует бриз с Атлантического океана, можно соорудить гигантский каскад ветроэнергетических установок. Как показали расчёты, мощности такого колоссального ветропарка вполне хватит для обеспечения нужд в электроэнергии всей Европы. Но для этого потребуется создание уникальной межконтинентальной высоковольтной линии электропередачи протяжённостью в 1300 километров. Задача эта не простая, так как линии электропередачи предстоит «перешагнуть» через Гибралтарский пролив. Одновременно предполагается дальнейшее строительство ветропарков вдоль северо-западного европейского побережья.

Учёные сделали интересный прогноз: если даже население Земли достигнет 20 миллиардов человек, то и тогда ещё останется необжитой большая территория пустынь площадью 10 миллионов квадратных километров. А ведь именно эти непригодные для сельскохозяйственных угодий пространства как нельзя лучше подходят для строительства солнечных электростанций. Активных пропагандистов по внедрению гелиоэнергетики в мире предостаточно. Так, в Германии группой сотрудников Берлинского научного центра Адлерскоф разработан «Солнечный проект». Его реализация предполагает к 2020 году довести мощность солнечных электростанций до 30 гигаватт, удовлетворив тем самым потребность 10 миллионов семей в электроэнергии и тепле.

Гелиоэнергетику считают самой чистой, так как её использование не грозит никакими вредными выбросами в атмосферу. Однако её распространению до сих пор мешают высокие затраты. Цена фотоэлектрического преобразователя площадью всего лишь один квадратный сантиметр составляет несколько долларов США. И эта дороговизна вызвана чрезвычайно высокими требованиями к химической чистоте полупроводниковых материалов.

В основе преобразования солнечных лучей в электрический ток лежит фотоэффект. Когда солнечный свет попадает на фотоэлемент, состоящий из полупроводникового материала (селена или кремния), то под воздействием фотонов – мельчайших частиц света – электроны покидают свои атомы, и те становятся носителями положительных зарядов, а «освобождённые» электроны «скучиваются» в области с отрицательным электрическим зарядом. Между двумя зонами с противоположными зарядами возникает электрическое напряжение. Если же к этим зонам подключить проводник, то по нему пойдёт электрический ток. По такому принципу работает большинство солнечных электростанций.

Есть и другой способ, при котором лучистая энергия сначала превращается в теплоту, а лишь потом – в электричество. На высокой башне монтируется длинный жёлоб с трубами. По ним течёт синтетическое масло. Оно нагревается от солнечных лучей, которые исходят от большого количества параболических (вогнутых) зеркал, расположенных вблизи башни. Зеркала постоянно поворачиваются , сопровождая солнце. А горячее масло передаёт своё тепло змеевикам с водой. Вода тоже нагревается, закипает и постепенно превращается в водяной пар, который вращает лопасти турбины электрического генератора.

В настоящее время солнечные батареи вырабатывают незначительную часть общего мирового производства электроэнергии: их совокупная мощность немногим превышает 2 тысячи мегаватт. Чемпионом среди всех стран по количеству солнечных установок для нагрева воды является Япония. Их там функционирует около 4 миллионов. Первое большое здание, снабжённое солнечными генераторами тёплой воды было построено в 1939 году в американском штате Флорида. В Европе первые установки появились в Англии в 1956 году. В 1970-х годах в Симферополе на плоской крыше пятиэтажной гостиницы «Спортивная» были смонтированы коллекторы солнечной установки. Рядом расположили баки-аккумуляторы с водой. Горячая вода накапливалась в таком количестве, что её запасов хватало для удовлетворения всех потребностей гостиницы.

Если солнечные энергетические системы установить в космосе, то они получат в 10 раз больше солнечной энергии, чем в самом жарком и безоблачном месте нашей планеты. Как известно, один из существенных недостатков наземных солнечных установок то, что они простаивают ночью. В космосе же перерыв в работе наступит лишь на время, когда станция будет находиться в тени Земли.

Предполагается, что космические электростанции будут вращаться вокруг Земли подобно искусственным спутникам. Фотоэлектрические элементы будут поглощать падающие на их поверхность солнечные лучи, преобразуя их энергию в электрический ток. С помощью микроволновых генераторов электричество будет преобразовываться в микроволновую энергию, а затем точно направляться на наземные антенны. Подобный проект реален, но для этого потребуются многократные дорогостоящие полёты в космос и космические корабли.

Доля геотермальных ресурсов в топливно-энергетическом балансе некоторых промышленно развитых стран в среднем составляет 5-10%. В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

Идея использовать энергию приливных и отливных морских течений была воплощена в приливных электростанциях (ПЭС). Первая промышленная ПЭС была построена во Франции, в устье реки Ранс в 1966 году. Приливные станции не наносят вред окружающей среде, в отличие от гидроэлектростанций, при сооружении которых затопляются громадные плодородные площади, вырубаются лесные массивы. К тому же ПЭС обладают весьма солидным энергетическим потенциалом. Ускорения, вызываемого приливной силой, вполне достаточно, чтобы привести в движение гигантские, в миллионы тонн, массы воды. В некоторых местах у берегов скорости потоков достигают 4 метров в секунду.

Чтобы заставить работать приливы и отливы, плотиной перекрывают залив или устье впадающей в море реки и образуют тем самым водоём, называемый бассейном ПЭС. Напор воды приводит во вращение гидротурбины и соединённые с ними электрогенераторы, установленные внутри плотины. При всех преимуществах выработки электроэнергии на ПЭС их распространению препятствует дороговизна строительства.

Например, возведение французской ПЭС на Рансе обошлось в два с половиной раза дороже, чем строительство речной ГЭС той же мощности.

Однако в 1968 году в России был применён другой метод сооружения ПЭС, который позволил вполовину снизить стоимость строительства. Отечественными проектировщиками при создании ПЭС в Кислой губе был принят наплавной способ строительства. Наплавной блок здания из железобетона был построен в котловане на берегу Кольского залива, близ Мурманска. После завершения монтажа оборудования и проведения испытания здания на водонепроницаемость, котлован затопили. Здание на плаву вывел в море буксир и перевёз его на расстояние 39 километров в узкое горло Кислой губы. Здесь, во время морского отлива оно было установлено на заранее подготовленное основание. Потом с двух берегов к зданию подвели дамбы, перекрыв тем самым горло губы, и создали бассейн ПЭС. Во всём мире наплавной метод строительства ПЭС известен как «российский».

Плотинные ПЭС – не единственный способ получения энергии из приливов. В Норвегии около города Хаммерфест в проливе Квалсундет скорость течения воды во время прилива достигает двух с половиной метров в секунду. В самом узком месте пролива на глубине 80 метров будут установлены башенные ветряки – «подводные мельницы». При этом учтено, что такое вторжение в морское пространство не помешает передвижению лосося и других обитателей моря. Кроме того, гидродвигатели не создадут никаких помех судоходству. Особенность конструкции подводных ветряков заключается в том, что они могут самостоятельно разворачиваться под водой в сторону наиболее сильного течения и «трудиться» с максимальной эффективностью. После того, как будут смонтированы все 20 агрегатов, их суммарная мощность составит 32 тысячи мегаватт. На сушу электроэнергия будет передаваться с помощью подводных кабелей.

Осенью 2006 года в Северодвинске спущен на воду экспериментальный блок для приливной электростанции, не имеющий аналогов в мире. Агрегат позволит вырабатывать дешёвое и экологически чистое электричество, используя энергию морских приливов и отливов.

Список использованной литературы

1. В.И. Сичкарёв, В.А. Акуличев Волновые энергетические станции в океане. –М.: Наука, 1989. – 132 с.

2. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1988. – 95 с .

3. Проблемы и перспективы развития мировой энергетики. – М.: Знание, 1982. – 48 с.

4. Ф. В. Скалкин и др. Энергетика и окружающая среда. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 280 с.