Видобуток електроенергії гідроенергетикою відбувається з використанням енергії води, що рухається.Дощі, що тане сніг зазвичай з пагорбів і гір створюють струмки та річки, які зрештою течуть в океан. Енергія цієї води, що рухається може бути істотною (за рафтингом відомо).
Ця енергія використовується протягом століть. Ще давні греки використовували колеса води, щоб розмолоти пшеницю на борошно. Вміщене у річці, колесо під впливом води повертається. Кінетична енергія річки обертає колесо і перетворюється на механічну енергію, де працює млин.
Розвиток гідроенергетики
Наприкінці ХІХ століття гідроенергетика стала джерелом видобутку електроенергії. Перша ГЕС була побудована в Ніагара-Фолс у 1879 році. В 1881 вуличні ліхтарі в місті Ніагара-Фолс були запитані енергією гідроенергетики. У 1882 році перша гідроелектростанція (ГЕС) у світі почала діяти в Сполучених Штатах в Епплтон, Вісконсін. Насправді ГЕС та вугільні електростанції видобуток електроенергії виробляють аналогічним чином. В обох випадках використовується для включення пропелер, званий турбіною, яка потім повертає через вал і обертає електричний генератор, що виробляє електрику. Вугільні електростанції використовують пару для обертання турбінних лопаток, а гідроелектростанції використовують воду, що падає – результати збігаються.
У всьому світі виробляють близько 24 відсотків електроенергії у світі забезпечуючи понад 1 мільярд людей енергією. ГЕС у світі має вихід загалом 675 000 мегават, енергетичний еквівалент 3,6 мільярда барелів нафти, згідно зі світовою лабораторією відновлюваних джерел енергії.
Як виходить електрика з води
Електрику з води гідроелектростанції одержують завдяки воді. Типова ГЕС є системою з трьох частин:
Вода за греблею протікає через греблю і штовхає гвинт у турбіні, обертаючи його. Турбіна обертає генератор для видобутку електроенергії. Кількість видобутої електроенергії, яка може бути згенерована, залежить скільки води рухається через систему. Електрика може передаватися на заводи та підприємства через загальну енергосистему.
ГЕС забезпечує майже п'яту частину електроенергії у світі. Китай, Канада, Бразилія, Сполучені Штати Америки та Росія є п'ять найбільших виробників гідроелектроенергії. Одна з найбільших гідроелектростанцій у світі – «Три ущелини» на річці Янцзи в Китаї. Гребля має 2,3 км завширшки і 185 метрів заввишки.
Гідроенергетика є найдешевший спосіб отримання електроенергії сьогодні. Це тому, що після того, як було побудовано греблю та обладнання встановлено, джерело енергії – проточна вода – безкоштовно. Це джерело чистого палива, що відновлюється щорічно зі снігів та опадів.
Кількість електроенергії, що виробляє ГЕС, залежить від двох факторів:
- Висоти водоспаду: що з більшої висоти вода падає, то більше енергії вона має. Як правило, відстань, з якої вода падає, залежить від розміру греблі. Чим вище дамби, далі вода падає, і тим більше енергії вона має. Вчені кажуть, що сила падаючої води "пропорційна" відстані падіння.
- Кількості падаючої води. Більше води, що протікає через турбіну, буде виробляти більше енергії. Кількість води на турбіні залежить від кількості води, що тече вниз по річці. Великі річки мають проточнішу воду і можуть виробляти більше енергії.
Видобуток електроенергії в гідроенергетиці легко регульований, оператори можуть контролювати потік води через турбіну для виробництва електроенергії на вимогу. Крім того, штучні водосховища можуть використовуватися для відпочинку, плавання або веслування.
Але перекриття річок може знищити чи порушити дику природу та інші природні ресурси. Деякі види риби, як лосось, можуть бути перекриті шляху на нерест. Гідроелектростанції можуть також викликати низький рівень розчиненого кисню у воді, яка є шкідливою для проживання річкової фауни.
Земні надра мають практично невичерпний потенціал, і за бажання їх можна використовувати як джерело енергії. Існує кілька способів отримання електрики із землі. Ці схеми можуть докорінно відрізнятися один від одного, але результат буде схожим. Він полягає у безперебійному забезпеченні електроенергією з мінімальними витратами на її отримання.
Природні джерела енергії
Останнім часом людство намагається знайти доступніші альтернативи для постачання власного житла електричною енергією. А все тому, що рівень життя стрімко зростає, а разом із ним збільшуються й витрати на обслуговування житлових приміщень звичними методами. Тобто саме дорожнеча та постійне зростання цін на комунальні послуги змушує людей шукати бюджетніші джерела енергії, які так само зможуть забезпечити подачу світла та тепла до будинків.
В даний час особливою популярністю користуються вітряки, що трансформують енергію з повітря, розташовані на відкритих просторах, сонячні батареї, які встановлюються прямо на дахах будинків, а також всілякі гідравлічні системи різного ступеня складності. А от ідея добувати енергію із земних надр чомусь вкрай рідко застосовуєтьсяна практиці, хіба що під час проведення аматорських експериментів.
Тим часом, вже зараз народні умільці пропонують кілька простих, але водночас досить ефективних способів видобутку електрики із землі для дому.
Найпростіші способи видобутку
Не секрет, що в грунті (на відміну від повітряного середовища) постійно відбуваються електрохімічні процеси, причина яких у взаємодії негативних і позитивних зарядів, що виходять від зовнішньої оболонки та надр. Ці процеси дозволяють розглядати землю не тільки як мати всього живого, а й як найпотужніший енергетичний джерело. А для того, щоб скористатися ним у побутових потребах, майстри найчастіше вдаються до трьох перевірених способів видобутку електрики із землі своїми руками. До них відносять:
- Метод із нульовим проводом.
- Спосіб з одночасним застосуванням двох різних електродів.
- Потенціал різних висот.
У першому випадку забезпечення житлового приміщення напругою, достатньою для того, щоб горіло як мінімум кілька лампочок, здійснюється за рахунок фазового та нульового провідника. Але для того, щоб досягти поставленої мети, лампочку необхідно підключити не тільки до нуля, а й до заземлення, адже якщо житлове приміщення оснащене високоякісним заземлюючим контуром, то більша частина енергії, що споживається, йде в грунт, а такий контакт допомагає її звідти частково повертати.
Фактично йдеться про найпримітивнішу схему «нульовий провідник - навантаження - грунт», в якій енергія, що виробляється, не виводиться на загальний приладовий лічильник, тобто її використання є безкоштовним. Однак є у цього методу і суттєвий недолік, який полягає в більш ніж низькій напрузі, що коливається в діапазоні від 10 до 20 вольт, і якщо хочеться збільшити цей показник, доведеться удосконалити конструкцію, застосовуючи елементи складніше.
Метод видобутку енергії за допомогою використання двох різних електродів ще простіше, так як для його застосування на практиці використовується тільки грунт. Звичайно, це не може не відбитися і на кінцевому результаті експерименту, тому найчастіше подібні схеми не дають можливість отримувати напругу більше 3 вольт, хоча цей показник має властивість змінюватись в той чи інший бік залежно від вологості та складу ґрунту.
Для проведення досвіду достатньо занурити в ґрунт два різні провідники (зазвичай в хід йдуть стрижні з міді та цинку), які призначені для створення різниці між негативним (цинк) та позитивним (мідь) потенціалами. Забезпечити їхню взаємодію між собою допоможе концентрований електролітний розчин, який можна приготувати самостійно, використовуючи дистильовану воду та звичайну кухонну сіль.
Рівень напруги, що виробляється, можна підняти, якщо глибше занурити електродні стрижні і збільшити концентрацію солі у розчині. Не останню роль цьому питанні грає і площа поперечного перерізу самих електродів. Примітно, що ґрунт, рясно политий електролітом, більше не зможе застосовуватися для вирощування рослин і культур. Цей момент обов'язково слід враховувати, передбачаючи якісну ізоляцію, щоб уникнути засолення прилеглих ділянок.
Різниця потенціалів може бути забезпечена і такими елементами, як дах приватного будинку та ґрунт, але за умови, що покрівля буде виконана з будь-якого металевого сплаву, а поверхня землі перекрита феритом.
Однак і цей метод не дасть значних результатів, тому що середній показник напруги, яке вдасться отримати таким способом, навряд чи перевищить 3 вольти.
Альтернативна методика
Якщо розглядати земну кулю як один великий сферичний конденсатор з негативним внутрішнім потенціалом, яке оболонку як джерело позитивної енергії, атмосферу як ізолятор, а магнітне поле як електрогенератор, то для отримання енергії достатньо буде просто підключитися до цього природного генератора, забезпечивши надійне заземлення. При цьому конструкція самого пристрою повинна в обов'язковому порядку включати такі елементи:
- Провідник у вигляді металевого стрижня, висота якого має перевищувати всі розташовані в безпосередній близькості об'єкти.
- Якісний контур заземлення, якого підводиться металевий провідник.
- Будь-який емітер, здатний забезпечити вільний вихід електронів із провідника. Як цей елемент може бути використаний потужний електрогенератор або навіть класична котушка Тесла.
Вся суть цього методу полягає в тому, що висота провідника, що використовується, повинна забезпечувати таку різницю протилежних потенціалів, яка дозволить електродам просуватися не вниз, а вгору по зануреному в грунт металевому стрижню.
Що ж до емітера, його основна роль полягає у вивільненні електродів, які потрапляють у довкілля вже як чистих іонів.
І після того, як атмосферний і електромагнітний потенціал землі зрівняються, почнеться вироблення енергії. До цього моменту до конструкції повинен бути підключений її сторонній споживач. У цьому випадку показник сили струму в електричному ланцюзі повністю залежатиме від того, наскільки потужним виявиться емітер. Чим вищий його потенціал, тим більше споживачів можна підключати до генератора.
Звісно, спорудити таку конструкцію в межах населених пунктів самотужки практично неможливо, адже все впирається у висоту провідника, яка має перевищувати дерева та всі споруди, але сама ідея може стати основою для створення масштабних проектів, що дозволяють отримувати електрику задарма.
Електроенергія із землі по Білоусову
На особливу увагу заслуговує теорія Валерія Білоусова, який протягом багатьох років займається глибоким вивченням блискавок і винаходом найбільш надійного захисту від цього небезпечного природного явища. Крім того, цей вчений є автором кількох унікальних у своєму роді книг, в яких викладено альтернативне бачення процесу вироблення та поглинання електричної енергії земними надрами.
Схема із подвійним заземленням
Один із способів отримання електрики із землі передбачає використання подвійного заземлення, що дозволяє виводити енергію із ґрунту в побутових цілях безкоштовно.
При цьому схема передбачає наявність єдиного заземлювального контуру пасивного типу без активатора, головне завдання якого полягає у прийнятті одностороннього заряду в першому півперіоді з подальшим його поверненням при переході в фазу другого напівперіоду. Тобто йдеться про своєрідний буфер обміну, роль якого може зіграти звичайна газова труба, підведена до типової квартири.
Спорудження конструкції та суть досвіду
Наступне складання конструкції передбачає виконання наступних маніпуляцій:
Цей вид невідомої досі енергії автор назвав «білою», порівнявши її з чистим аркушем паперу, на який за бажання можна накласти все, що завгодно, відкривши для всього людства принципово нові можливості. Але головна ідея, яку виділяє автор, полягає в тому, що всі енергії на планеті протікають індивідуально за своїми законами, але це відбувається в єдиному просторі.
Введение……………………………………………….………….2
I . Основні способи отримання енергії…………………….3
1. Теплові електростанції……………..…………………3
2. Гідроелектростанції……………………………………5
3. Атомні електростанції……………………..…………6
II . Нетрадиційні джерела енергії……………………..9
1. Вітрова енергія…………………………………………9
2. Геотермальна енергія…………………………………11
3. Теплова енергія океану……………………………….12
4. Енергія припливів і отливов…………………………...13
5. Енергія морських течій………………………………13
6. Енергія Сонця…………………………………………14
7. Воднева енергетика…………………………………17
Заключение………………………………………………………19
Література……………………………………………………….21
Вступ.
Науково-технічний прогрес неможливий без розвитку енергетики, електрифікації. На підвищення продуктивність праці першорядне значення має механізація і автоматизація виробничих процесів, заміна людської праці машинним. Але переважна більшість технічних засобів механізації та автоматизації (обладнання, прилади, ЕОМ) має електричну основу. Особливо широке застосування електрична енергія отримала приводу у дію електричних моторів. Потужність електричних машин (залежно від їх призначення) різна: від часток вата (мікродвигуни, що застосовуються в багатьох галузях техніки та в побутових виробах) до великих величин, що перевищують мільйон кіловат (генератори електростанцій).
Людству електроенергія потрібна, причому потреби у ній збільшуються з кожним роком. Разом про те запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу та інших.) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану та торію, з якого можна отримувати в реакторах-розмножувачах плутоній. Тому важливо на сьогоднішній день знайти вигідні джерела електроенергії, причому вигідні не лише з погляду дешевизни палива, але й з погляду простоти конструкцій, експлуатації, дешевизни матеріалів, необхідних для будівництва станції, довговічності станцій.
Цей реферат є коротким, оглядом сучасного стану енергоресурсів людства. Діяльність розглянуті традиційні джерела електричної енергії. Мета роботи – насамперед ознайомитися із сучасним станом справ у цій надзвичайно широкій проблематиці.
До традиційних джерел насамперед належать: теплова, атомна та енергія потік води.
Російська енергетика сьогодні – це 600 теплових, 100 гідравлічних, 9 атомних електростанцій. Є, звичайно, кілька електростанцій, що використовують як первинне джерело сонячну, вітрову, гідротермальну, приливну енергію, але частка виробленої ними енергії дуже мала в порівнянні з тепловими, атомними і гідравлічними станціями.
I . Основні засоби отримання енергії.
1. Теплові електростанції.
Теплова електростанція (ТЕС), електростанція, що виробляє електричну енергію внаслідок перетворення теплової енергії, що виділяється при спалюванні органічного палива. Перші ТЕС з'явилися кін. 19 і отримали переважне поширення. Все р. 70-х pp. 20 ст. ТЕС – основний вид електричної станцій. Частка вироблюваної ними електроенергії становила: у Росії США св. 80% (1975), у світі близько 76% (1973).
Близько 75% усієї електроенергії Росії виробляється на теплових електростанціях. Більшість міст Росії постачаються саме ТЕС. Часто у містах використовуються ТЕЦ – теплоелектроцентралі, що виробляють не лише електроенергію, а й тепло у вигляді гарячої води. Така система є досить-таки непрактичною т.к. На відміну від електрокабелю надійність теплотрас надзвичайно низька на великих відстанях, ефективність централізованого теплопостачання сильно знижується внаслідок зменшення температури теплоносія. Підраховано, що при протяжності теплотрас більше 20 км (типова ситуація для більшості міст) установка електричного бойлера в будинку, що окремо стоїть, стає економічно вигідною.
На теплових електростанціях перетворюється хімічна енергія палива спочатку на механічну, а потім на електричну.
Паливом для такої електростанції можуть бути вугілля, торф, газ, горючі сланці, мазут. Теплові електричні станції поділяють на конденсаційні (КЕС), призначені для вироблення тільки електричної енергії, та теплоелектроцентралі (ТЕЦ), що виробляють крім електричної теплову енергію у вигляді гарячої води та пари. Великі КЕС районного значення отримали назву державних районних електростанцій (ДРЕС).
Найпростіша принципова схема КЕС, що працює на вугіллі, представлена на рис. Вугілля подається в паливний бункер 1, та якщо з нього - в дробильну установку 2, де перетворюється на пил. Вугільний пил надходить у топку парогенератора (парового котла) 3, має систему трубок, в яких циркулює хімічно очищена вода, звана поживною. У котлі вода нагрівається, випаровується, а насичена пара, що утворилася, доводиться до температури 400-650°С і під тиском 3-24 МПа надходить по паропроводу в парову турбіну 4. Параметри пари залежать від потужності агрегатів.
Теплові конденсаційні електростанції мають невисокий ккд (30- 40%), так як більша частина енергії втрачається з топковими газами, що відходять, і охолоджувальною водою конденсатора.
Споруджувати КЕС вигідно в безпосередній близькості від місць видобутку палива. При цьому споживачі електроенергії можуть бути на значній відстані від станції.
Теплоелектроцентраль відрізняється від конденсаційної станції встановленої у ньому спеціальної теплофікаційної турбіною з відбором пари. На ТЕЦ одна частина пари повністю використовується в турбіні для вироблення електроенергії в генераторі 5 і потім надходить у конденсатор 6, а інша, що має велику температуру і тиск (рис. штрихова лінія), відбирається від проміжного ступеня турбіни і використовується для теплопостачання. Конденсат насосом через 7 деаератор 8 і далі поживним насосом 9 подається в парогенератор. Кількість пари залежить від потреби підприємств в тепловій енергії.
Коефіцієнт корисної дії ТЕЦ сягає 60-70%.
Такі станції будують зазвичай поблизу споживачів – промислових підприємств чи житлових масивів. Найчастіше вони працюють на паливі, що привіз.
Розглянуті теплові електростанції на вигляд основного теплового агрегату - парової турбіни - відносяться до паротурбінних станцій. Значно меншого поширення набули теплові станції з газотурбінними (ГТУ), парогазовими (ПГУ) та дизельними установками.
Найбільш економічними є великі теплові паротурбінні електростанції (скорочено ТЕС). Більшість ТЕС нашої країни використовують як паливо вугільний пил. Для вироблення 1 кВт-год електроенергії витрачається кілька сотень грамів вугілля. У паровому котлі понад 90% енергії, що виділяється паливом, передається пару. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний із валом генератора.
Сучасні парові турбіни для ТЕС - досконалі, швидкохідні, високоекономічні машини з великим ресурсом роботи. Їхня потужність в одновальному виконанні досягає 1 млн. 200 тис. кВт, і це не є межею. Такі машини завжди бувають багатоступінчастими, тобто мають зазвичай кілька десятків дисків із робочими лопатками і таке ж
кількість перед кожним диском груп сопів, через які протікає струмінь пари. Тиск та температура пари поступово знижуються.
З курсу фізики відомо, що ККД теплових двигунів збільшується зі зростанням початкової температури робочого тіла. Тому пар, що надходить в турбіну, доводять до високих параметрів: температуру - майже до 550 °С і тиск - до 25 МПа. Коефіцієнт корисної дії ТЕС сягає 40%. Більша частина енергії втрачається разом із гарячою відпрацьованою парою.
На думку вчених в основі енергетики найближчого майбутнього, як і раніше, залишиться теплоенергетика на не відновлюваних ресурсах. Але її структура зміниться. Повинне скоротитись використання нафти. Істотно зросте виробництво електроенергії на атомних електростанціях. Почнеться використання поки що не зворушених гігантських запасів дешевого вугілля, наприклад, у Кузнецкому, Кансько-Ачинському, Екібаcтузькому басейнах. Широко застосовуватиметься природний газ, запаси якого в країні набагато перевершують запаси в інших країнах.
На жаль, запаси нафти, газу, вугілля аж ніяк не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, були потрібні мільйони років, витрачені вони будуть за сотні років. Сьогодні у світі стали серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Адже лише за умови запасів палива може вистачити на століття.
2. Гідроелектростанції.
Гідроелектрична станція, гідроелектростанція (ГЕС), комплекс споруд та обладнання, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється на електричну енергію. ГЕС складається з послідовного ланцюга гідротехнічних споруд, що забезпечують необхідну концентрацію потоку води та створення напору та енергетичного. обладнання, що перетворює енергію води, що рухається під натиском води в механічну енергію обертання яка, у свою чергу, перетворюється в електричну енергію.
За схемою використання водних ресурсів та концентрації напорів ГЕС зазвичай поділяють на руслові, приплотинні, дериваційні з напірною та безнапірною деривацією, змішані, гідроакумулюючі та приливні. У руслових і приплотинних ГЕС тиск води створюється греблею, що перегороджує річку і піднімає рівень води у верхньому б'єфі. При цьому неминуче деяке затоплення долини річки. У разі спорудження двох гребель на тій самій ділянці річки площа затоплення зменшується. На рівнинних річках найбільша економічно допустима 
площа затоплення обмежує висоту греблі. Руслові та приплотинні ГЕС будують і на рівнинних багатоводних річках та на гірських річках, у вузьких стиснутих долинах.
До складу споруд руслової ГЕС, крім греблі, входять будівля ГЕС та водоскидні споруди (рис. 4). Склад гідротехнічних споруд залежить від висоти напору та встановленої потужності. У руслової ГЕС будинок з розміщеними в ньому гідроагрегатами служить продовженням греблі і разом із нею створює напірний фронт. При цьому з одного боку до будівлі ГЕС примикає верхній б'єф, з другого - нижній б'єф. Підводять спіральні камери гідротурбін своїми вхідними перерізами закладаються під рівнем верхнього б'єфу, вихідні ж перерізи труб, що відсмоктують, занурені під рівнем нижнього б'єфу.
Відповідно до призначення гідровузла до його складу можуть входити судноплавні шлюзи або суднопідйомник, рибопропускні споруди, водозабірні споруди для іригації та водопостачання. У руслових ГЕС іноді єдиною спорудою, яка пропускає воду, є будівля ГЕС. У цих випадках корисно використовувана вода послідовно проходить вхідний переріз зі сміттєзатримуючими гратами, спіральну камеру, гідротурбіну, трубу, що відсмоктує, а по спеціальних водоводах між сусідніми турбінними камерами проводиться скидання паводкових витрат річки. Для руслових ГЕС характерні натиски до 30-40 м, до найпростіших руслових ГЕС відносяться також сільські ГЕС, що раніше будувалися, невеликої потужності. На великих рівнинних річках основне русло перекривається земляною греблею, до якої примикає бетонна водозливна гребля та споруджується будівля ГЕС. Таке компонування типове для багатьох вітчизняних ГЕС на великих рівнинних річках. Волзька ГЕС ім. 22-го з'їзду КПРС - найбільша серед станцій руслового типу.
При більш високих натисканнях виявляється недоцільним передавати на будівлю ГЕС гідростатичний тиск води. У цьому випадку застосовується тип греблі ГЕС, у якої напірний фронт на всьому протязі перекривається греблею, а будівля ГЕС розташовується за греблею, що примикає до нижнього б'єфу. До складу гідравлічної траси між верхнім і нижнім б'єфом ГЕС такого типу входять глибинний водоприймач зі сміттєзатримувальною решіткою, турбінний водовід, спіральна камера, гідротурбіна, труба, що відсмоктує. Як доповнить, споруд до складу вузла можуть входити судноплавні споруди та рибоходи, а також додаткові водоскиди. Прикладом такого типу станцій на багатоводній річці служить Братська ГЕС на річці Ангара.
Незважаючи на зниження частки ГЕС у загальному виробленні, абсолютні значення виробництва електроенергії та потужності ГЕС безперервно зростають внаслідок будівництва нових великих електростанцій. У 1969 у світі налічувалося понад 50 ГЕС, що діють і будуються, одиничною потужністю 1000 МВт і вище, причому 16 з них - на території колишнього Радянського Союзу.
Найважливіша особливість гідроенергетичних ресурсів порівняно з паливно-енергетичними ресурсами – їхня безперервна відновлюваність. Відсутність потреби в паливі для ГЕС визначає низьку собівартість електроенергії, що виробляється на ГЕС. Тому споруді ГЕС, незважаючи на значні, питомі капіталовкладення на 1 квт встановленої потужності та тривалі терміни будівництва, надавалося і надається великого значення, особливо коли це пов'язано з розміщенням електроємних виробництв.
3. Атомні електростанції.
Атомна електростанція (АЕС) - електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється на електричну. Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі в результаті ланцюгової реакції поділу ядер деяких важких елементів, потім так само, як і на звичайних теплових електростанціях (ТЕС), перетворюється на електроенергію. На відміну від ТЕС, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному паливі (в основі 233 U, 235 U, 239 Pu). Встановлено, що світові енергетичні ресурси ядерного пального (уран, плутоній та ін.) суттєво перевищують енергоресурси природних запасів органічного палива (нафта, вугілля, природний газ та ін.). Це відкриває широкі перспективи задоволення швидко зростаючих потреб у паливі. Крім того, необхідно враховувати обсяг споживання вугілля і нафти, що все збільшується, для технологічних цілей світової хімічної промисловості, яка стає серйозним конкурентом теплових електростанцій. Незважаючи на відкриття нових родовищ органічного палива та вдосконалення способів його видобутку, у світі спостерігається тенденція до відносного збільшення його вартості. Це створює найважчі умови для країн, які мають обмежені запаси палива органічного походження. Очевидною є необхідність найшвидшого розвитку атомної енергетики, яка вже займає помітне місце в енергетичному балансі низки промислових країн світу.
Перша у світі АЕС дослідно-промислового призначення (рис. 1) потужністю 5 МВт була пущена в СРСР 27 червня 1954 в м. Обнінську. До цього енергія атомного ядра використовувалася у військових цілях. Пуск першої АЕС ознаменував відкриття нового напряму в енергетиці, який отримав визнання на 1-й Міжнародній науково-технічній конференції з мирного використання атомної енергії (серпень 1955, Женева).
Принципова схема АЕС з ядерним реактором, що має водяне охолодження, наведено на рис. 2. Тепло, що виділяється в активній зоні реактора, теплоносієм, вбирається водою (теплоносієм 1-го контуру), яка прокачується через реактор циркуляційним насосом. 2-го контуру. Вода 2-го контуру випаровується в парогенераторі, і утворена пара надходить у турбіну 4.
Найбільш часто на АЕС застосовують 4 типи реакторів на теплових нейтронах 1) водо-водяні зі звичайною водою як сповільнювач і теплоносій; 2) графіто-водні з водяним теплоносієм та графітовим сповільнювачем; 3) важководні з водяним теплоносієм та важкою водою як сповільнювач 4) графіто-газові з газовим теплоносієм та графітовим сповільнювачем.
У Росії будують головним чином графіто-водні та водо-водяні реактори. На АЕС США найбільшого поширення набули водо-водяні реактори. Графіто-газові реактори використовуються в Англії. В атомній енергетиці Канади переважають АЕС із важководними реакторами.
Залежно від виду та агрегатного стану теплоносія створюється той чи інший термодинамічний цикл АЕС. Вибір верхньої температурної межі термодинамічного циклу визначається максимально допустимою температурою оболонок тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ), що містять ядерне пальне, допустимою температурою власне ядерного пального, а також властивостями теплоносія, прийнятого для даного типу реактора. На АЕС тепловий реактор, якою охолоджується водою, зазвичай користуються низькотемпературними паровими циклами. Реактори з газовим теплоносієм дозволяють застосовувати відносно економічніші цикли водяної пари з підвищеними початковими тиском і температурою. Теплова схема АЕС у цих двох випадках виконується 2-контурною: у 1-му контурі циркулює теплоносій, 2-й контур – пароводяний. При реакторах з киплячим водяним або високотемпературним газовим теплоносієм можлива одноконтурна теплова АЕС. У киплячих реакторах вода кипить в активній зоні, отримана пароводяна суміш сепарується, і насичена пара прямує або безпосередньо в турбіну, або попередньо повертається в активну зону для перегріву (рис. 3).
У високотемпературних графіто-газових реакторах можливе застосування традиційного газотурбінного циклу. Реактор у разі виконує роль камери згоряння.
При роботі реактора концентрація ізотопів, що діляться, в ядерному паливі поступово зменшується, і паливо вигоряє. Тому згодом їх замінюють свіжими. Ядерне пальне перезавантажують за допомогою механізмів та пристроїв з дистанційним керуванням. Паливо, що відпрацювало, переносять у басейн витримки, а потім направляють на переробку.
До реактора і систем, що його обслуговують, відносяться: власне реактор з біологічним захистом, теплообмінники, насоси або газодувні установки, що здійснюють циркуляцію теплоносія; трубопроводи та арматура циркуляції контуру; пристрої для перезавантаження ядерного пального; системи спец. вентиляції, аварійного розхолодження та ін.
Залежно від конструктивного виконання реактори мають відмінні особливості: в корпусних реакторах паливо і сповільнювач розташовані всередині корпусу, що несе повний тиск теплоносія; в канальних реакторах паливо, що охолоджуються теплоносієм, встановлюються в спец. трубах-каналах, що пронизують сповільнювач, укладений у тонкостінний кожух. Такі реактори застосовуються в Росії (Сибірська, Білоярська АЕС та ін.),
Для запобігання персоналу АЕС від радіаційного опромінення реактор оточують біологічним захистом, основним матеріалом для якого є бетон, вода, пісок. Устаткування реакторного контуру має бути повністю герметичним. Передбачається система контролю місць можливого витоку теплоносія, вживають заходів, щоб поява не щільностей та розривів контуру не призводила до радіоактивних викидів та забруднення приміщень АЕС та навколишньої місцевості. Обладнання реакторного контуру зазвичай встановлюють в герметичних боксах, які відокремлені від інших приміщень АЕС біологічним захистом і при роботі реактора не обслуговуються, Радіоактивне повітря і невелика кількість парів теплоносія, обумовлене наявністю протікання з контуру, видаляють з приміщень, що не обслуговуються, АЕС спец. системою вентиляції, в якій для виключення можливості забруднення атмосфери передбачені очисні фільтри та газгольдери витримки. За виконанням правил радіаційної безпеки персоналом АЕС слідкує служба дозиметричного контролю.
При аваріях у системі охолодження реактора для виключення перегріву та порушення герметичності оболонок ТВЕЛів передбачають швидке (протягом кількох секунд) глушення ядерної реакції; аварійна система охолодження має автономні джерела живлення.
Наявність біологічного захисту, систем спеціальної вентиляції та аварійного розхолодження та служби дозиметричного контролю дозволяє повністю убезпечити обслуговуючий персонал АЕС від шкідливих впливів радіоактивного опромінення.
Обладнання машинного залу АЕС аналогічне до обладнання машинного залу ТЕС. Відмінна риса більшості АЕС - використання пари порівняно низьких параметрів, насиченої або слабо перегрітої.
При цьому для виключення ерозійного пошкодження лопаток останніх ступенів турбіни частинками вологи, що міститься в пару, в турбіні встановлюють пристрої, що сепарують. Іноді необхідно застосування виносних сепараторів та проміжних перегрівачів пари. У зв'язку з тим, що теплоносій і домішки, що містяться в ньому, при проходженні через активну зону реактора активуються, конструктивне рішення обладнання машинного залу і системи охолодження конденсатора турбіни одноконтурних АЕС повинно повністю виключати можливість витоку теплоносія. На двоконтурних АЕС із високими параметрами пари подібних вимог до обладнання машинного залу не пред'являються.
До специфічних вимог до компонування обладнання АЕС входять: мінімально можлива протяжність комунікацій, пов'язаних з радіоактивними середовищами, підвищена жорсткість фундаментів та конструкцій реактора, що несуть, надійна організація вентиляції приміщень. У реакторному залі розміщено: реактор з біологічним захистом, запасні ТВЕЛи та апаратура контролю. АЕС скомпонована за блочним принципом реактор-турбіна. У машинному залі розташовані турбогенератори та системи, що їх обслуговують. Між машинним та реакторним залами розміщено допоміжне обладнання та системи управління станцією.
У більшості промислово розвинених країн (Росія, США, Англія, Франція, Канада, ФРН, Японія, НДР та ін) потужність діючих і АЕС, що будуються, до 1980 доведена до десятків ГВт. За даними Міжнародного атомного агентства ООН, опублікованими у 1967, встановлена потужність усіх АЕС у світі до 1980 досягла 300 ГВт.
За роки, що минули з часу пуску в експлуатацію першої АЕС, було створено кілька конструкцій ядерних реакторів, на основі яких почався широкий розвиток атомної енергетики нашій країні.
АЕС є найбільш сучасним видом електростанцій, мають низку істотних переваг перед іншими видами електростанцій: за нормальних умов функціонування вони абсолютно не забруднюють навколишнє середовище, не вимагають прив'язки до джерела сировини і відповідно можуть бути розміщені практично скрізь, нові енергоблоки мають потужність практично рівну потужності середньої ГЕС Проте коефіцієнт використання встановленої потужності на АЕС (80%) значно перевищує цей показник у ГЕС або ТЕС. Про економічність та ефективність атомних електростанцій може говорити той факт, що з 1 кг урану можна отримати стільки ж теплоти, скільки при спалюванні приблизно 3000 т кам'яного вугілля.
Значних недоліків АЕС за нормальних умов функціонування практично немає. Однак не можна не помітити небезпеку АЕС за можливих форсмажорних обставин: землетрусів, ураганів тощо - тут старі моделі енергоблоків становлять потенційну небезпеку радіаційного зараження територій через неконтрольоване перегрівання реактора.
ІІ. Нетрадиційні джерела енергії
Вчені застерігають: розвіданих запасів органічного палива за нинішніх темпів зростання енергоспоживання вистачить лише на 70-130 років. Звичайно, можна перейти і на інші джерела енергії, що не відновлюються. Наприклад, вчені вже багато років намагаються освоїти керований термоядерний синтез.
1. Вітрова енергія
Величезна енергія повітряних мас, що рухаються. Запаси енергії вітру більш ніж сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди землі дмуть вітри – від легкого вітерця, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, які приносять незліченну шкоду і руйнації. Завжди неспокійний повітряний океан, дні якого ми живемо. Вітри, що дмуть на просторах нашої країни, могли б легко задовольнити її потреби в електроенергії! Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території – від західних кордонів до берегів Єнісея. Багаті на енергію вітру північні райони країни вздовж узбережжя Північного Льодовитого океану, де вона особливо необхідна мужнім людям, які обживають ці найбагатші краї. Чому ж настільки багате, доступне та й екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується? У наші дні двигуни, які використовують вітер, покривають лише одну тисячну світових потреб в енергії.
За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі дорівнює 1200 ГВт, проте можливості використання цього виду енергії у різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути досить великою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний переріз, досягала значення, прийнятного для перетворення. Вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку становить близько 500 Вт/м 2 (швидкість повітряного потоку при цьому дорівнює 7 м/с), може перетворити на електроенергію близько 175 з цих 500 Вт/м 2 .
Енергія, що міститься в потоці повітря, що рухається, пропорційна кубу швидкості вітру. Однак, не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання (КПІ) енергії повітряного потоку може дорівнювати 59,3%. На практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний КПІ енергії вітру в реальному вітроагрегаті дорівнює приблизно 50 %, однак і цей показник досягається не за всіх швидкостей, а лише за оптимальної швидкості, передбаченої проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії на електричну, що здійснюється з ККД зазвичай 75-95%. Враховуючи всі ці фактори, питома електрична потужність, що видається реальним вітроенергетичним агрегатом, мабуть, становить 30-40% потужності повітряного потоку за умови, що цей агрегат працює стійко у діапазоні швидкостей, передбачених проектом. Однак іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низькою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високою, що вітроагрегат необхідно зупинити та вжити заходів щодо його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частина механічної енергії вітру, що видобувається, не використовується, з тим щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці фактори, питома вироблення електричної енергії протягом року, мабуть, становить 15–30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від розташування та параметрів вітроагрегату.
Нові дослідження спрямовані переважно отримання електричної енергії з енергії вітру. Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин призвело до появи на світ безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, згодом вони могли б утворити справжню електричну мережу. Малі вітроелектричні агрегати призначені для постачання електроенергії окремих будинків.
Споруджуються вітроелектричні станції переважно постійного струму. Вітряне колесо рухає динамо-машину – генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з'єднані акумулятори. Акумуляторна батарея автоматично підключається до генератора в той момент, коли напруга на його вихідних клемах стає більшою, ніж на клемах батареї, і також автоматично відключається при протилежному співвідношенні.
У невеликих масштабах вітроелектричні станції використали кілька десятиліть тому. Найбільша з них потужністю 1250 кВт давала струм у мережу електропостачання американського штату Вермонт безперервно з 1941 по 1945 р. Однак після поломки ротора досвід перервався - ротор не стали ремонтувати, оскільки енергія від сусідньої теплової електростанції коштувала дешевше. З економічних причин припинилася експлуатація вітроелектричних станцій та у європейських країнах.
Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно постачають струмом нафтовиків; вони успішно працюють у важкодоступних районах, на далеких островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів та електростанцій загального користування. Американець Генрі Клюз у штаті Мен побудував дві щогли та зміцнив на них вітродвигуни з генераторами. 20 акумулятором по 6 В і 60 по 2 В служать йому в безвітряну погоду, а як резерв він має бензиновий двигун. За місяць Клюз отримує від своїх вітроелектричних агрегатів 250 кВт·год енергії; цього йому вистачає для освітлення всього господарства, живлення побутової апаратури (телевізора, програвача, пилососа, електричної машинки), а також для водяного насоса і добре обладнаної майстерні.
Широкому застосуванню вітроелектричних агрегатів у звичайних умовах поки що перешкоджає їхня висока собівартість. Навряд чи потрібно говорити, що за вітер платити не потрібно, проте машини, потрібні для того, щоб запрягти його в роботу, коштують занадто дорого.
Зараз створено найрізноманітніші прототипи вітроелектричних генераторів (точніше, вітродвигунів з електрогенераторами). Одні з них схожі на звичайну дитячу вертушку, інші на велосипедне колесо з алюмінієвими лопатями замість спиць. Існують агрегати у вигляді каруселі або у вигляді щогли з системою підвішених один над одним кругових вітровловлювачів, з горизонтальною або вертикальною віссю обертання, з двома або п'ятдесятьма лопатями.
У проектуванні установки найважча проблема полягала в тому, щоб за різної сили вітру забезпечити однакову кількість оборотів пропелера. Адже при підключенні до мережі генератор повинен давати не просто електричну енергію, а лише змінний струм із заданим числом циклів за секунду, тобто зі стандартною частотою 50 Гц. Тому кут нахилу лопатей до вітру регулюють за рахунок повороту їх навколо поздовжньої осі: при сильному вітрі цей кут гостріший, повітряний потік вільніше обтікає лопаті і віддає їм меншу частину своєї енергії. Крім регулювання лопатей, весь генератор автоматично повертається на щоглі проти вітру.
При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітряну погоду та нестачу її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти про запас енергію вітру? Найпростіший спосіб полягає в тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну та генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи та проекти: від звичайних, хоч і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стисненого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як паливо. Особливо перспективним є останній спосіб. Електричний струм від вітроагрегату розкладає воду на кисень та водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати в топках теплових електростанцій у міру потреби.
2. Геотермальна енергія
Енергетика землі – геотермальна енергетика виходить з використанні природної теплоти Землі. Верхня частина земної кори має термічний градієнт, що дорівнює 20–30 °С у розрахунку на 1 км глибини, і кількість теплоти, що міститься в земній корі до глибини 10 км (без урахування температури поверхні), дорівнює приблизно 12,6 . 10 26 Дж. Ці ресурси еквівалентні теплозмісту 4,6 · 10 16 т вугілля (приймаючи середню теплоту згоряння вугілля рівною 27,6 . 10 9 Дж/т), що більш ніж у 70 тис. разів перевищує теплозміст всіх технічно та економічно вилучених світ ресурсів вугілля. Однак геотермальна теплота у верхній частині земної надто розпорошена, щоб на її базі вирішувати світові енергетичні проблеми. Ресурси, придатні для промислового використання, є окремими родовищами геотермальної енергії, сконцентрованої на доступній для розробки глибині, що мають певні обсяги і температуру, достатні для використання їх з метою виробництва електричної енергії або теплоти.
З геологічного погляду геотермальні енергоресурси можна поділити на гідротермальні конвективні системи, гарячі сухі системи вулканічного походження та системи з високим тепловим потоком.
До категорії гідротермальних конвективних систем відносять підземні басейни пари або гарячої води, що виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, сірчисті грязьові озера. Утворення таких систем пов'язане з наявністю джерела теплоти - гарячою або розплавленою скельною породою, розташованою відносно близько до землі. Гідротермальні конвективні системи зазвичай розміщуються за межами тектонічних плит земної кори, яким властива вулканічна активність.
В принципі для виробництва електроенергії на родовищах з гарячою водою застосовується метод, заснований на використанні пари, що утворилася під час випаровування гарячої рідини на поверхні. Цей метод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (під високим тиском) по свердловинах з басейну до поверхні тиск падає і близько 20% рідини закипає і перетворюється на пару. Ця пара відокремлюється за допомогою сепаратора від води і прямує в турбіну. Вода, що виходить із сепаратора, може бути піддана подальшій обробці в залежності від її мінерального складу. Цю воду можна закачувати назад у скельні породи відразу або, якщо це економічно виправдано, із попереднім вилученням із неї мінералів.
Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо-або середньотемпературних геотермальних вод є використання процесу із застосуванням двоконтурного (бінарного) циклу. У цьому процесі вода, отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (фреону або ізобутану), що має низьку температуру кипіння. Пара, що утворилася в результаті кипіння цієї рідини, використовується для приводу турбіни. Відпрацьована пара конденсується і знову пропускається через теплообмінник, створюючи тим самим замкнутий цикл.
До другого типу геотермальних ресурсів (гарячі системи вулканічного походження) відносяться магма і непроникні гарячі сухі породи (зони застиглої породи навколо магми і скельні породи, що її покривають). Отримання геотермальної енергії безпосередньо з магми поки що технічно нездійсненне. Технологія, необхідна використання енергії гарячих сухих порід, тільки починає розроблятися. Попередні технічні розробки методів використання цих енергетичних ресурсів передбачають пристрій замкнутого контуру з рідиною, що циркулює по ньому, що проходить через гарячу породу. Спочатку пробурюють свердловину, що досягає області залягання гарячої породи; потім через неї у породу під великим тиском закачують холодну воду, що призводить до утворення у ній тріщин. Після цього через утворену таким чином зону тріщинуватої породи пробурюють другу свердловину. Зрештою, холодну воду з поверхні закачують у першу свердловину. Проходячи через гарячу породу, вона нагрівається, витягується через другу свердловину у вигляді пари або гарячої води, які потім можна використовувати для електроенергії одним з розглянутих раніше способів.
Геотермальні системи третього типу існують у тих районах, де в зоні з високими значеннями теплового потоку розташовується глибокозалягаючий осадовий басейн. У таких районах, як Паризький або Угорський басейни, температура води, що надходить із свердловин, може досягати 100 °С.
3. Теплова енергія океану
Відомо, що запаси енергії у Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні (361 млн. км2) займають моря та океани – акваторія Тихого океану складає 180 млн. км2 . Атлантичного – 93 млн. км 2 , Індійського – 75 млн. км 2 . течій оцінюється величиною порядку 10 18 Дж. Однак поки що люди вміють використовувати лише нікчемні частки цієї енергії, та й то ціною великих капіталовкладень, що повільно окупаються, так що така енергетика досі здавалася малоперспективною.
Останні десятиліття характеризується певними успіхами використання теплової енергії океану. Так, створено установки міні-ОТЕС і ОТЕС-1 (ОТЕС – початкові літери англійських слів Осеаn ТhеrmalEnergyConversion, тобто перетворення теплової енергії океану – йдеться про перетворення на електричну енергію). Торішнього серпня 1979 р. поблизу Гавайських островів почала працювати теплоенергетична установка міні-ОТЕС. Пробна експлуатація установки протягом трьох із половиною місяців показала її достатню надійність. При безперервній цілодобовій роботі не було зривів, якщо не брати до уваги дрібних технічних неполадок, які зазвичай виникають при випробуваннях будь-яких нових установок. Її повна потужність становила загалом 48,7 кВт, максимальна –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка віддавала у зовнішню мережу на корисне навантаження, точніше на зарядку акумуляторів. Інша потужність, що виробляється, витрачалася на власні потреби установки. До них входять витрати анергії на роботу трьох насосів, втрати у двох теплообмінниках, турбіні та в генераторі електричної енергії.
Три насоси вимагалися з наступного розрахунку: один – для подачі теплої види з океану, другий – для підкачування холодної води з глибини близько 700 м, третій – для перекачування вторинної робочої рідини всередині самої системи, тобто з конденсатора у випарник. В якості вторинної робочої рідини застосовується аміак.
Установку міні-ОТЕС змонтовано на баржі. Під її днищем розміщений довгий трубопровід для забору холодної води. Трубопровід служить поліетиленова труба довжиною 700 м з внутрішнім діаметром 50 см. Трубопровід прикріплений до днища судна за допомогою особливого затвора, що дозволяє в разі потреби швидке від'єднання. Поліетиленова труба одночасно використовується і для заякорювання системи труба-судно. Оригінальність такого рішення не викликає сумнівів, оскільки якірні постановки для більш потужних систем ОТЕС, що розробляються нині, є дуже серйозною проблемою.
Вперше в історії техніки установка міні-ОТЕС спромоглася віддати у зовнішнє навантаження корисну потужність, одночасно покривши і власні потреби. Досвід, отриманий при експлуатації міні-ОТЕС, дозволив швидко побудувати потужнішу теплоенергетичну установку ОТЕС-1 і приступити до проектування ще потужніших систем подібного типу.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена по великій площі (іншими словами, має значну щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збирає пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.
Найпростіший пристрій такого роду - лоскій к л ктор; в принципі це чорна плита, добре ізольована знизу. У просторі між літою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, олія, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т.д. п.Сонячне випромінювання, прон кая черезскло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочий їїство в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вища (па 200-500 ° С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому вся проявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові перуки, по суті, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але що далі від тропіків, то менше еффе тивен горизонтальний колектор, а повертати його слід за С нцем занадто важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.
Більш складним дорогим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому обсязі біля певної го метричної точки – фокусу. Поверхня дзеркала, що відображає, виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної основи. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця – це дозволяє збирати якомога більшу кількість сонячного випромінювання. Температура у робочому просторі дзеркальних колекторів остигає 3000°З вище.
Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії тягне у себе гігантське збільшення потреби у матеріалах, отже, й у трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, інший апаратури, їх перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт на рік електричної енергії за допомогою сонячної енергетики потрібно витратити від 10 000 до 40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин.
Поки що електрична енергія, народжена сонячним промінням, обходиться набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на досвідчених установках та станціях, допоможуть вирішити не лише технічні, а й економічні проблеми. Проте станції-перетворювачі сонячної енергії будують і вони працюють.
З 1988 року на Керченському півострові працює Кримська сонячна електростанція. Здається, здоровим глуздом визначено її місце. Вже якщо десь і будувати такі станції, то це насамперед у краю курортів, санаторіїв, будинків відпочинку, туристичних маршрутів; в краю, де треба багато енергії, але ще важливіше зберегти в чистоті навколишнє середовище, саме благополуччя якого, і насамперед чистота повітря, є цілющим для людини.
Кримська СЕС невелика – потужність лише 5 МВт. У певному сенсі вона – спроба сил. Хоча, здавалося б, чого ще треба куштувати, коли відомий досвід будівництва геліостанцій в інших країнах.
На острові Сицилія ще на початку 80-х дала струм сонячна електростанція потужністю 1 МВт. Принцип її роботи також баштовий. Дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на 50-метровій висоті. Там виробляється пара з температурою понад 600 °С, яка приводить у дію традиційну турбіну з підключеним до неї генератором струму. Безперечно доведено, що на такому принципі можуть працювати електростанції потужністю 10–20 МВт, а також набагато більше, якщо групувати подібні модулі, приєднуючи їх один до одного.
Дещо іншого типу електростанція в Алькерії на півдні Іспанії. Її відмінність у тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне тепло надає руху натрієвому кругообігу, а той уже нагріває воду до утворення пари. Такий варіант має ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує не тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надмірну енергію для роботи у похмуру погоду та вночі. Потужність іспанської станції має лише 0,5 МВт. Але на її принципі можуть бути створені куди більші – до 300 МВт. В установках цього типу концентрація сонячної анергії настільки висока, що ККД паротурбінного процесу тут не гірше, ніж на традиційних теплових електростанціях.
На думку фахівців, найбільш привабливою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту у напівпровідниках.
Але, наприклад, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт·ч (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС) при к.п.д. 10% зажадала б ефективної поверхні близько 500 000 м 2 . Зрозуміло, що така велика кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися лише тоді, коли їхнє виробництво буде справді дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала через нестійкі атмосферні умови щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть у сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, зумовлених чергуванням дня і ночі.
Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках та автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі – в першу чергу для живлення телефонних мереж у неелектрифікованих районах або для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви тощо). Напівпровідникові сонячні батареї вперше було встановлено третьому радянському штучному супутнику Землі (запущеному на орбіту 15 травня 1958 р.).
Йде робота, йдуть оцінки. Поки вони, треба визнати, не на користь сонячних електростанцій: сьогодні ці споруди все ще належать до найскладніших і найдорожчих технічних методів використання геліоенергії. Потрібні нові варіанти, нові ідеї. Нестачі у них немає. З реалізацією гірше.
7. Воднева енергетика
Водень, найпростіший і найлегший з усіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є всюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень та кисень, причому цей процес не викликає жодного забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окису вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т. п. Водень має дуже високу теплотворну здатність: при спалюванні 1 г водню 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 г бензину – лише 47 Дж.
Водень можна транспортувати та розподіляти трубопроводами, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива – найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж, трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельних площ, ніж повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню трубопроводом діаметром 750 мм на відстань понад 80 км обійдеться дешевше, ніж передача тієї ж кількості енергії у формі змінного струму підземним кабелем. На відстанях більше 450 км трубопровідний транспорт водню дешевше, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму.
Водень – синтетичне паливо. Його можна отримувати з вугілля, нафти, газу або шляхом розкладання води. За оцінками, сьогодні у світі виробляють та споживають близько 20 млн. т водню на рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку та добрив, а решта – на видалення сірки з газоподібного палива, металургії, для гідрогенізації вугілля та інших палив. У сучасній економіці водень залишається скоріше хімічною, ніж енергетичною сировиною.
Нині водень виробляють переважно (близько 80%) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія, яка отримується з такого водню, обходиться в 3,5 рази дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж, собівартість такого водню постійно зростає в міру підвищення цін на нафту.
Невелика кількість водню одержують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожче, ніж вироблення його з нафти, але воно розширюватиметься і з розвитком атомної енергетики стане дешевшим. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде розкладання води з утворенням водню. Щоправда, ціна електролітичного водню залишиться вищою за ціну електричного струму, зате витрати на транспортування та розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятною порівняно з ціною електроенергії.
Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок більш ефективного розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори, напівнепроникні мембрани тощо.
Велику увагу приділяють термолітичному методу, який (у перспективі) полягає у розкладанні води на водень та кисень за температури 2500 °С. Але таку температурну межу інженери ще не освоїли у великих технологічних агрегатах, у тому числі і на атомній енергії (у високотемпературних реакторах поки що розраховують лише на температуру близько 1000°С). Тому дослідники прагнуть розробити процеси, які у кілька стадій, що дозволило б виробляти водень у температурних інтервалах нижче 1000°З.
У 1969 р. в італійському відділенні «Євратома» було пущено в експлуатацію установку для термолітичного одержання водню, що працює з к.п.д. 55% за температури 730°С. При цьому використовували бромистий кальцій, воду та ртуть. Вода в установці розкладається на водень і кисень, інші реагенти циркулюють у повторних циклах. Інші – сконструйовані установки працювали – за температур 700–800°С. Як вважають, високотемпературні реактори дозволять підняти к.п.д. таких процесів до 85%. Сьогодні ми не в змозі точно передбачити, скільки коштуватиме водень. Але якщо врахувати, що ціни всіх сучасних видів енергії виявляють тенденцію до зростання, можна припустити, що у довгостроковій перспективі енергія у формі водню обходитиметься дешевше, ніж у формі природного газу, а можливо, й у формі електричного струму.
Коли водень стане таким же доступним паливом, як сьогодні природний газ, він зможе його всюди замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, що застосовуються для спалювання природного газу.
Як ми вже казали, при спалюванні водню не залишається шкідливих продуктів згоряння. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні. Більш того, водяна пара, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом - він зволожує повітря (як відомо, в сучасних квартирах з центральним опаленням повітря занадто сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, а й підвищує опалення на 30%.
Водень може служити і хімічною сировиною у багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив та продуктів харчування, у металургії та нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях.
Висновок.
Враховуючи результати існуючих прогнозів щодо виснаження до середини - кінця наступного століття запасів нафти, природного газу та інших традиційних енергоресурсів, а також скорочення споживання вугілля (якого, за розрахунками, має вистачити на 300 років) через шкідливі викиди в атмосферу, а також споживання ядерного палива, якого за умови інтенсивного розвитку реакторів-розмножувачів вистачить не менше ніж на 1000 років можна вважати, що на даному етапі розвитку науки і техніки теплові, атомні та гідроелектричні джерела ще довго переважатимуть над іншими джерелами електроенергії. Вже почалося подорожчання нафти, тож теплові електростанції на цьому паливі будуть витіснені станціями на вугіллі.
Деякі вчені та екологи наприкінці 1990-х років. говорили про швидку заборону державами Західної Європи атомних електростанцій. Але виходячи із сучасних аналізів сировинного ринку та потреб суспільства в електроенергії, ці твердження виглядають недоречними.
Незаперечна роль енергії у підтримці та подальшому розвитку цивілізації. У суспільстві важко знайти хоча б одну область людської діяльності, яка б вимагала – прямо чи опосередковано – більше енергії, ніж її можуть дати м'язи людини.
Споживання енергії – важливий показник рівня життя. У ті часи, коли людина видобувала їжу, збираючи лісові плоди і полюючи тварин, їй потрібно було за добу близько 8 МДж енергії. Після оволодіння вогнем ця величина зросла до 16 МДж: у примітивному сільськогосподарському суспільстві вона становила 50 МДж, а більш розвиненому – 100 МДж.
За час існування нашої цивілізації багато разів відбувалася зміна традиційних джерел енергії на нові, досконаліші. І не тому, що старе джерело було вичерпане.
Сонце світило і обігрівало людину завжди: проте люди приручили вогонь, почали палити деревину. Потім деревина поступилася місцем кам'яного вугілля. Запаси деревини здавалися безмежними, але парові машини вимагали калорійнішого "корму".
Але це був лише етап. Вугілля незабаром поступається своїм лідерством на енергетичному ринку нафти.
І ось новий виток у наші дні провідними видами палива поки що залишаються нафта та газ. Але за кожним новим кубометром газу чи тонної нафти треба йти все далі на північ чи схід, зариватися дедалі глибше у землю. Не дивно, що нафта і газ з кожним роком коштуватимуть нам дедалі дорожче.
Заміна? Потрібен новий лідер енергетики. Ним, безперечно, стануть ядерні джерела.
Запаси урану, якщо, скажімо, порівнювати їх із запасами вугілля, начебто не такі вже й великі. Але на одиницю ваги він містить у собі енергії в мільйони разів більше, ніж вугілля.
А результат такий: при отриманні електроенергії на АЕС потрібно витратити, вважається, у сто тисяч разів менше коштів і праці, ніж при вилученні енергії з вугілля. І ядерне пальне приходить на зміну нафти та вугілля... Завжди було так: наступне джерело енергії було й потужнішим. То була, якщо можна так сказати, "войовнича" лінія енергетики.
У гонитві за надлишком енергії людина все глибше поринала в стихійний світ природних явищ і до певної пори не дуже замислювалася про наслідки своїх справ і вчинків.
Але часи змінилися. Нині, наприкінці ХХ століття, починається новий, значний етап земної енергетики. З'явилася енергетика "щадна". Побудована так, щоб людина не рубала гілку, на якій вона сидить. Дбав про охорону сильно пошкодженої біосфери.
Безсумнівно, у майбутньому паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики отримають широкі права громадянства і екстенсивна лінія: розосереджені джерела енергії не надто великої потужності, зате з високим ККД, екологічно чисті, зручні в обігу.
Яскравий приклад тому – швидкий старт електрохімічної енергетики, яку пізніше, мабуть, доповнить сонячна енергетика. Енергетика дуже швидко акумулює, асимілює, вбирає всі найновіші ідей, винаходи, досягнення науки. Це і зрозуміло: енергетика пов'язана буквально з усім, і все тягнеться до енергетики, залежить від неї.
Тому енергохімія, воднева енергетика, космічні електростанції, енергія, запечатана в антиречовині, "чорних дірах", вакуумі, - це лише найбільш яскраві віхи, штрихи, окремі рисочки того сценарію, який пишеться на наших очах і який можна назвати Завтрашнім Днем Енергетики.
Література
1. Баланчевадзе Ст І., Барановський А. І. та ін; За ред. А. Ф. Дьякова. Енергетика сьогодні та завтра. - М.: Вища школа, 1990. - 344 с.
2. Більш ніж достатньо. Оптимістичний погляд майбутнє енергетики світу/ Під ред. Р. Кларка: Пров. з англ. - М.: Вища школа, 1994. - 215 с.
3. Джерела енергії. Факти, проблеми, розв'язання. - М.: Наука та техніка, 1997. - 110 с.
4. Кирилін В. А. Енергетика. Головні проблеми: У питаннях та відповідях. - М.: Знання, 1997. - 128 с.
5. Світова енергетика: прогноз розвитку до 2020 р./Пер. з англ. за ред. Ю. Н. Старшикова. - М.: Енергія, 1990. - 256 с.
6. Нетрадиційні джерела енергії. - М.: Знання, 1982. - 120 с.
7. Підгірний А. Н. Воднева енергетика. - М.: Наука, 1988. - 96 с.
8. Енергетичні ресурси світу/Под ред. П.С.Непорожнього, В.І. Попкова. - М.: Вища школа, 1995. - 232 с.
9. Юдасін Л. С.. Енергетика: проблеми та надії. - М.: Просвітництво, 1990. - 207с.
Для того, щоб отримати електрику, потрібно знайти різницю потенціалів та провідник. Поєднавши все в єдиний потік, можна забезпечити постійне джерело електроенергії. Однак насправді приручити різницю потенціалів не так просто.
Природа проводить через рідке середовище електроенергію величезної сили. Це розряди блискавки, які, як відомо, виникають у повітрі, насиченому вологою. Однак це лише поодинокі розряди, а не постійний потік електроенергії.
Людина взяла на себе функцію природної могутності та організувала переміщення електроенергії по проводах. Однак це лише переклад одного виду енергії в інший. Вилучення електрики безпосередньо з середовища залишається переважно на рівні наукових пошуків, дослідів із розряду цікавої фізики та створення невеликих установок малої потужності.
Найпростіше видобувати електрику з твердого та вологого середовища.
Єдність трьох середовищ
Найпопулярнішим середовищем у цьому випадку є ґрунт. Справа в тому, що земля – це єдність трьох середовищ: твердої, рідкої та газоподібної. Меду дрібними частинками мінералів розташовані краплі води та бульбашки повітря. Більше того, елементарна одиниця ґрунту – міцела або глинисто-гумусовий комплекс є складною системою, що володіє різницею потенціалів.
На зовнішній оболонці такої системи формується негативний заряд, на внутрішній – позитивний. До негативно зарядженої оболонки міцели притягуються позитивно заряджені іони, що у середовищі. Тож у ґрунті постійно відбуваються електричні та електрохімічні процеси. У більш гомогенному повітряному та водному середовищі таких умов для концентрації електрики немає.
Як отримати електроенергію із землі
Оскільки в ґрунті є і електрика, і електроліти, то її можна розглядати не лише як середовище для живих організмів та джерело врожаю, а й як міні електростанцію. Крім того, наші електрифіковані житла концентрують у середовищі навколо себе і ту електрику, яка «стікає» через заземлення. Цим не можна не скористатися.
Найчастіше домовласники застосовують такі способи вилучення електроенергії з ґрунту, розташованого навколо будинку.
Спосіб 1 - Нульовий провід -> навантаження -> грунт
Напруга в житлові приміщення подається через 2 провідники: фазний та нульовий. При створенні третього, заземленого, провідника між ним і нульовим контактом виникає напруга від 10 до 20 В. Цієї напруги достатньо для того, щоб запалити пару лампочок.
Таким чином, для підключення споживачів електроенергії до «земляної» електрики достатньо створити схему: нульовий провід – навантаження – ґрунт. Умільці цю примітивну схему можуть удосконалити та отримати струм більшої напруги.
Спосіб 2 - Цинковий та мідний електрод
Наступний спосіб отримання електрики ґрунтується на використанні тільки землі. Беруться два металеві стрижні – один цинковий, інший мідний, і поміщаються у ґрунт. Краще, якщо це буде ґрунт в ізольованому просторі.
Ізоляція необхідна для того, щоб створити середовище з підвищеною солоністю, що несумісне з життям – у такому ґрунті нічого не зростатиме. Стрижні створять різницю потенціалів, а ґрунт стане електролітом.
У найпростішому варіанті отримаємо напругу в 3 В. Цього, звичайно, мало для дому, але систему можна ускладнити, збільшивши тим самим потужність.
Спосіб 3 - Потенціал між дахом та землею
3. Досить велику різницю потенціалів можна створити між дахом будинку та землею. Якщо на даху поверхня металева, а в землі – феритова, то можна досягти різниці потенціалів у 3 В. Збільшити цей показник можна за рахунок зміни розмірів пластин, а також відстані між ними.
Висновки
- Вивчаючи це питання я зрозумів, що сучасна промисловість не випускає готових пристроїв для отримання електрики із землі, але це можна зробити і з підручного матеріалу.
- Проте слід зважити, що експерименти з електрикою небезпечні. Краще якщо ви все ж таки залучите спеціаліста, хоча б на заключній стадії оцінки рівня безпеки системи.
