Альтернативні джерела енергії

Міністерство освіти і науки України

Одеський державний екологічний університет

Кафедра прикладної екології

Факультет екологічний

КУРСОВА РОБОТА

на тему: „Альтернативні джерела енергії”

Виконав студент групи Е – 26

Чернєв М.І.

Керівник Фролова Н.М.

Одеса 2007

ЗМІСТ

 

ВСТУП

1. ВІТРОВА ЕНЕРГІЯ

1.1 Зберігання вітрової енергії

1.2 Будівництво вітроелектростанцій в Україні

1.3 Перспективи і умови розвитку вітроенергетики в Криму

2. ЕНЕРГІЯ СВІТОВОГО ОКЕАНУ

2.1 Теплова енергія океану

2.2 Енергія приливів і відливів

2.3 Енергія морських течій

2.4 Енергія біомаси

2.5 Внутрішня Енергія Молекул Води

3. ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ

3.1 Концентрування сонячного світла

3.2 Перетворювачі сонячної енергії

4. ГИДРОЕНЕРГЕТИКА

4.1 Мала гідроенергетика

5. ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ

6. ЕНЕРГІЯ БІОМАСИ

7. ВОДНЕВА ЕНЕРГІЯ

7.1 Керований термоядерний синтез

7.2 Сучасні і перспективні методи виробництва водню

7.3 Використовування водню

7.4 «Водневий» автомобіль

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Зараз, як ніколи гостро встало питання, про те, яким буде майбутнє планети в енергетичному плані. Науково-технічний прогрес неможливий без розвитку енергетики, електрифікації. Для підвищення продуктивності праці головне значення має механізація і автоматизація виробничих процесів, заміна людської праці машинним. Але переважна більшість технічних засобів механізації і автоматизації має електричну основу. Особливо широке застосування електрична енергія одержала для роботи електричних моторів. Потужність електричних машин різна: від часток вата до величезних величин, що перевищують мільйон кіловат .

Людству електроенергія потрібна, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив вичерпані. Вичерпні також і запаси ядерного палива - урану і торія, з якого можна одержувати в реакторах-розмножувачах плутоній. Тому важливо на сьогоднішній день знайти вигідні джерела електроенергії, причому вигідні не тільки з погляду дешевизни палива, але і з погляду простоти конструкцій, експлуатації, дешевизни матеріалів, необхідних для споруди станції та екологічно чистої енергії.

В даний час на виробництво тепла і електроенергії витрачається щорічно кількість тепла, еквівалентна приблизно 1000 трлн. баррелів нафти, спалювання яких сильно забруднює навколишнє природне середовище.

Навколишнє середовище наповнене енергією, яка може бути використана для здійснення роботи різного характеру. Найбільш перспективними видами енергії є енергія вітру, енергія світового океану, енергія сонця, гідроенергетика, геотермальна енергія, енергія біомаси, воднева енергія. Ці види енергії є досить перспективними, але витрати на їх будівництво високозатратні і в найближчій перспективі не може бути рекомендована для упровадження у великих об'ємах через високу питому вартість енергетичних установок, низький коефіцієнт використовування встановленої потужності установок.

1. ВІТРОВА ЕНЕРГІЯ

Ми живемо на дні повітряного океану, в світі вітрів. Люди давно це зрозуміли, вони постійно відчували на собі дію вітру, хоча довгий час не могли пояснити багато явищ. Спостереженням за вітрами займалися ще в Стародавній Греції. Вже в III в. до н.е. було відомо, що вітер приносить ту або іншу погоду.

Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри - від легкого вітерцю, до могутніх ураганів, що приносять незліченні руйнування. Завжди неспокійний повітряний океан, на дні якого ми живемо. Вітри, що дують на просторах нашої країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії. Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території.

За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі рівний 1200 ТВт, проте можливості використовування цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути достатньо великою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний перетин, досягала значення для перетворення.

Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Проте не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисної дії енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3 %. На практиці, згідно опублікованим даним, максимальний ККД енергії вітру в реальному вітроагрегаті рівний приблизно 50 %, проте і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості, передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється з ККД звичайно 75-95 %. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність, видавана реальним вітроенергетичним агрегатом складає 30-40 % потужності повітряного потоку за умови, що цей агрегат працює стійко в діапазоні швидкостей, передбачених проектом. Проте іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низькою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високої, що вітроагрегат необхідно зупинити і вжити заходи по його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частина отриманої механічної енергії вітру не використовується, з тим щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці чинники, питоме вироблення електричної енергії протягом року складає 15-30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місцеположення і параметрів вітроагрегата [3].

Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин привело до появи на світ безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, з часом вони могли б утворити справжню електричну мережу. Малі вітроенергетичні агрегати призначені для постачання електроенергією окремих будинків.

Принцип дії всіх вітродвигунів один: під натиском вітру обертається вітрове колесо з лопатями, передаючи момент, що крутить , через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Чим більше діаметр вітрового колеса, тим більший повітряний потік воно захоплює і тим більше енергії виробляє агрегат.

За типами вітрові двигуни поділяють на дві групи (мал. 1):

1).вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання (крильчаті) (2-5);

2).вітродвигуни з вертикальною віссю обертання (карусельні: лопатеві (1) і ортогональні (6).

Мал. 1. Типи вітродвигунів

Коефіцієнт використовування енергії вітру у крильчастих вітродвигунів набагато вище ніж у карусельних. В той же час, у карусельних - набагато більше момент обертання. Він максимальний для карусельних лопатевих агрегатів при нульовій відносній швидкості вітру.

У невеликих масштабах вітроенергетичні станції знайшли застосування декілька десятиліть тому. Найкрупніша з них потужністю 1250 кВт давала струм в мережу електропостачання американського штату Вермонт безперервно з 1941 по 1945 р.

Сьогодні вітроенергетичні агрегати надійно забезпечують струмом нафтовиків; вони успішно працюють в труднодоступних районах, на дальніх островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу крупних населених пунктів і електростанцій загального користування.

Широкому застосуванню вітроенергетичних агрегатів в звичних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість.

Крім того, кінці лопатей крупної установки рухаючись з великою швидкістю створюють шум. Проте головна перешкода на шляху використовуванні енергії вітру все ж таки економічна - потужність агрегату залишається невеликою і частка витрат на його експлуатацію виявляється значною[6].

1.1 Зберігання вітрової енергії

При використовуванні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії в легковажну погоду і недолік її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти енергію вітру?

Простий спосіб полягає у тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну і генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи і проекти: від звичних, хоча і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стислого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як паливо. Особливо перспективним представляється останній спосіб. Електричний струм від вітроагрегату розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати на теплових електростанцій у міру потреби [5].

  1.2 Будівництво вітроелектростанцій в Україні

Сучасна вітроенергетика є однією з найрозвиненіших і перспективніших галузей альтернативної енергетики. В даний час, в умовах енергетичної кризи на Україні, вітроенергетика займає одне з провідних місць.

В Україні узятий курс на прискорений розвиток виробництва вітроенергетичних установок і будівництво вітроелектростанцій загальною потужністю 500 МВт і більш, для чого у вітроенергетику прямують великі державні інвестиції.

Необхідно також відзначити, що сумарна потужність вітроелектростанцій, що розташовується, в Україні в 500 МВт дасть надбавку середньорічної потужності лише в 800-100 МВт, що для країни складає досить малу величину.

Існуючі наміри держави по упровадженню вітроенергетики в Україні базуються в основному на застосуванні ліцензійної вітроенергетичні установки моделі «USW 56-100» і вітроенергетичні установки вітчизняної розробки типа «АВЕ-250С».

В Україні не проведені серйозні дослідження по впливу крупних вітроелектростанцій на навколишнє природне середовище в зоні їх дії. Ці питання вимагають додаткових досліджень і узгодженні з природоохоронними організаціями, та і відповідні закони відсутні.

В Україні розроблена і виробляється вітрові енергетичні установки типа «АВЕ-250С» потужністю 200 кВт. До теперішнього часу партія цих установок проходить тестування і експлуатацію. Розробляється подібна установка потужністю 500 кВт.

Вітрові енергетичні установки типа «АВЕ-250С» можуть працювати як в паралельно з енергосистемою, так і автономно [8].

1.3 Перспективи і умови розвитку вітроенергетики в Криму

Територія Автономної Республіки Крим володіє достатньо великим вітровим потенціалом на Україні і розглядається як найперспективніший район для будівництва установок по його використовуванню і виробленню додаткової електроенергії.

Аналіз вітроенергетичних ресурсів Криму показує, що середньорічні значення швидкості вітру на території півострова коливаються в межах від 3 до 5 м/с, причому максимальна вірогідність при швидкості 3,5 м/с.

Розвиток вітроенергетики в Криму обумовлений наступними причинами:

1) дефіцитністю традиційних природних невідновлюваних паливно-енергетичних ресурсів, критичним станом власних генеруючих джерел і нестійкою роботою кримської енергосистеми в цілому;

2) високими екологічними вимогами до енерговиробляючих джерел, пов'язаних з розвитком в регіоні індустрії відпочинку і туризму;

3) вдалим географічним положенням Криму і його унікальними природно-кліматичними можливостями;

4) наявністю вільних земельних площ, придатних для розміщення об'єктів вітроенергетики.

Використовування вітрової енергії на території Кримського регіону передбачається по двох основних напрямах:

1) будівництво вітроенергетичних установок і їх комплексів - вітроенергетичних станцій потужністю 100 кВт і вище і робота в паралельному режимі із загальною енергосистемою;

2) будівництво вітроустановок невеликої потужності від 4 кВт і вище для живлення невеликих окремих об'єктів і робота їх в автономному режимі.

Таким чином, до 2010 р., при успішному розвитку Комплексної програми будівництва вітроелектростанцій України, передбачається довести загальну їх потужність в Криму до 480 МВт, що дозволить підвищити надійність енергозбереження Криму і дати економію органічного палива у розмірі 290 тис. т. у. т. в рік [6].

2. ЕНЕРГІЯ СВІТОВОГО ОКЕАНУ

Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його одержаному, виснаження паливних ресурсів - всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали останніми роками в багатьох країнах виник значний інтерес до нових джерел енергії, зокрема до енергії Світового океану.

Енергетичні джерела океану мають різні по потенціалу ресурси. Значні енергетичні можливості містять в собі: енергія хвиль і приливів; енергія хімічних зв'язків газів, живильних речовин, солей і інших мінералів; прихована енергія водню, що знаходиться в молекулах води; енергія течій, спокійно і нескінченно рухомих в різних частинах океану; дивовижна по запасах енергія, яку можна одержувати, використовуючи різницю температур води океану на поверхні і в глибині, і їх можна перетворити в стандартні види палива.

Дослідження дають підставу зробити висновок, що хвилі порівняно з іншими відновлюваними джерелами енергії океану володіють досить хорошими показниками, що дозволить в майбутньому ефективно використовувати їх енергію.

Кожна хвиля , прямуюча до берега, несе з собою величезну енергію (наприклад, хвиля висотою в 3 м несе близько 90 кВт потужності на 1 м побережжя). В даний час є реальні інженерні і технічні можливості для ефективного перетворення хвильової енергії в електричну. Проте надійні хвильові установки поки не розроблені [4].

У перспективі енергію морських хвиль можна залучити в загальний баланс енергетичних ресурсів, що використовуються людиною в господарській діяльності .

 

2.1 Теплова енергія океану

Відомо, що запаси енергії в Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні займають моря і океани. Так, теплова енергія, відповідна перегріву поверхневих вод океану в порівнянні з донними, скажімо, на 20 градусів, має величину близько 1026 Дж. Проте поки що люди уміють використовувати лише нікчемні частки цієї енергії, та і те ціною великих капіталовкладень, так що така енергетика дотепер здавалася малоперспективною.

Останні десятиліття характеризується певними успіхами у використовуванні теплової енергії океану. У серпні 1979 р. поблизу Гавайських островів почала працювати теплоенергетична установка. Пробна експлуатація установки протягом трьох з половиною місяців показала її достатню надійність. Її повна потужність складала в середньому 48,7 кВт, максимальна -53 кВт; 12 кВт установка віддавала в зовнішню мережу на корисне навантаження, точніше - на зарядку акумуляторів. Решта потужності, що виробляється, витрачалася на власні потреби установки. До їх числа входять витрати енергії на роботу трьох насосів, втрати в двох теплообмінниках, турбіні і в генераторі електричної енергії.

Вперше в історії техніки установка змогла віддати в зовнішнє навантаження корисну потужність, одночасно покривши і власні потреби [1].

2.2 Енергія приливів і відливів

Століттями люди роздумували над причиною морських приливів і відливів. Могутнє природне явище - ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. Оскільки Сонце знаходиться від Землі в 400 разів далі, набагато менша маса Місяця діє на земні води удвічі сильніше, ніж маса Сонця. Тому вирішальну роль виконує прилив, викликаний Місяцем. У морських просторах приливи чергуються з відливами теоретично через 6 ч 12 мін 30с. Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій, Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, і тоді наступає сильний прилив. Коли ж Сонця знаходиться під прямим кутом до відрізка Земля-Місяць, наступає слабкий прилив. Сильний і слабкий приливи чергуються через сім днів.

Проте істинний хід приливу і відливу достатньо складний. На нього впливають особливості руху небесних тіл, характер берегової лінії, глибина води, морські течії і вітер.

Найвищі і сильніші приливні хвилі виникають в дрібних і вузьких затоках або гирлах річок, що впадають в моря і океани. У закритих морях, наприклад Чорному або Середземному, виникають малі приливні хвилі заввишки 50-70 см. Потужність електростанцій в деяких місцях могла б скласти 2-20 МВт.

Перша морська приливна електростанція потужністю 635 кВт була побудована в 1913 р. біля Ліверпуля. У 1935 р. приливну електростанцію почали будувати в США. Американці перегородили частину затоки Пассамакводі на східному побережжі, витратили 7 млн. $., але роботи довелося припинити через незручний для будівництва, дуже глибокого і м'якого морського дна, а також через те, що побудована неподалеку крупна теплова електростанція дала дешевшу енергію.

Аргентинські фахівці пропонували використовувати дуже високу приливну хвилю в Магеллановій протоці, по уряд не затвердило дорогий проект.

З 1967 р. в гирлі річки Ранс у Франції на приливах заввишки до 13 метрів працює ПЕС потужністю 240 тис. кВт з річною віддачею 540 тис. кВт/ч [4].