Альтернативные источники энергии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 
"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

 

 

Политехнический факультет

 

                                                      Кафедра  связи экологии и защиты окружающей среды

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ: «Экология»

НА  ТЕМУ:

«Альтернативные источники энергии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Васильев И.С.

студент 3 курса 

группы – ЭП 301(2)

Проверила: Васильева Ж.В.

                                                                                    канд. техн. наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МУРМАНСК 2012

Содержание

1. Введение
2. Энергия солнца
3. Энергия ветра
4. Геотермальная энергия
5. Приливные электростанции (ПЭС)
6. Биотопливо
7. Заключение
8. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

“Нетрадиционная энергетика” нетрадиционна потому, что не везде ещё у нас есть традиция – беречь родную природу.

 

Разуваев В.А.

 

 

 

 

 

 

 

            Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Конечно, можно перейти и на другие не возобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез...

Но даже в  том случае, если на Земле будут  открыты практически неисчерпаемые  сырьевые ресурсы, не удастся избежать экологической беды. Лет через 100 на нашей планете  будет  вырабатываться  1 % энергии,  которую она получает от Солнца - 1.5 х 10 ²⁴ Дж в год. Этот рубеж не следует переходить. Иначе начнётся таяние полярных льдов, катастрофически повысится уровень Мирового океана. В таком случае прибрежным городам и целым приморским странам энергия уже не понадобится.

Так называемого  теплового загрязнения планеты  можно избежать лишь в том случае, если «взять на вооружение» солнечную  энергию, которая независимо от того, использует или не использует ее человек, -  нагревает атмосферу Земли.

             Опыт прошлого свидетельствует, что проходит не менее 80 лет, прежде чем одни основные источники энергии заменяются другими - дерево заменил уголь, уголь - нефть, нефть - газ, химические виды топлива заменила атомная энергетика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия солнца.

 

        Чтобы в полной мере использовать  лучистую энергию Солнца, квант  нужно превратить в какой-либо  иной вид. Сохранить световой  луч в «банку» еще никому не удавалось.

        Один из наиболее распространенных  и перспективных способов преобразования света - фотоэлектрический. Фотоны передают свою энергию электронам в полупроводниках. Возникает электрический ток.

       Есть такая «вывернутая» присказка:  лучше быть здоровым и богатым,  чем бедным и больным. Следуя  этому принципу, и развивается  фотоэнергетика. Еще недавно фотоэлектроэнергия обходилась очень дорого. И немудрено. До 1982 года в нашей стране фотоэлементы выпускались только для космических аппаратов. В наземные преобразователи попадало лишь то, что по каким-то причинам выбраковывали основные заказчики.

       Наконец появилось опытное производство  дисковых солнечных элементов  для народнохозяйственных нужд. Себестоимость солнечной электроэнергии  уменьшилась в 3- 4 раза. Но все  равно 7-10 руб. за 1 Вт установленной  мощности (таковы сегодняшние затраты) - это очень дорого. Идет поиск  способов удешевления солнечных  элементов. Один из примеров  тому - интересная разработка советского  ученого А. Степанова. Он предложил  высококачественный кремний не  выращивать в виде слитков,  которые приходится потом распиливать  на круглые пластины, те же, в  свою очередь, тщательно полировать, затрачивая много энергии и  расходуя впустую материал, а  вытягивать тонкими лентами из  расплава. При таком способе не  только снижается себестоимость  фотоэлементов, но и увеличивается  эффективность солнечных батарей.  Ведь ленты можно смыкать вплотную, а между дисковыми элементами  всегда остается неиспользованная  площадь. 

       Однако в буквальном смысле  камень преткновения солнечной  электроэнергетики - низкий КПД  кремниевых элементов. Дело в  том, что лишь небольшая часть  солнечной энергии поглощается  электронами в полупроводниках.  Львиная доля падающего излучения  идет на нагрев фотоэлемента (что,  между прочим, ухудшает его фотоэлектрические  характеристики), какая-то часть  отражается, какая-то пронизывает  его насквозь. Вспомним, ведь запрещенная  полоса в полупроводнике довольно  узка. А значит, и невелико «энергетическое  меню» электронов. Кроме того, значительные  потери энергии в полупроводниках  связаны с рекомбинацией электронов и дырок. В результате КПД стандартных солнечных элементов не превышает 10%. Впрочем, уже есть опытные образцы, полученные в лабораториях М. Кагана, А. Зайцевой (НПО «Квант»), КПД которых 15-17%. И это не предел. Экспертами посчитано, что предельный КПД для солнечных элементов с n-р-переходом составляет 27-30%.

            Особенно перспективными считаются полупроводниковые преобразователи с так называемыми гетера- переходами. Они изготовлены из двух различных по химическому составу полупроводников. Соответственно ширина запрещенных зон в каждом различна. Коллектив ученых, работающий под руководством академика Ж. Алферова, получил на фотодиодах с гетеропереходом «арсенид алюминия - арсенид галлия» КПД около 20%.

Примечательно, что при нагреве такие фотодиоды  не ухудшают свои фотоэлектрические  свойства. Они устойчиво работают даже при 1600- кратном уплотнении потока солнечной энергии.

Идет  поиск и новых - дешевых материалов для фотоэлементов. Весьма перспективны, по мнению некоторых исследователей, полупроводниковые соединения меди, кадмия, серы. Преобразователи, полученные на их основе, недороги, да вот беда - КПД у них порядка 5%, и материалы  нестабильны, разрушаются под воздействием окружающей среды. Сложная, дорогостоящая  герметизация сводит на нет полученную экономию.

Можно уменьшить  себестоимость гелиоэлектроэнергии другим способом. Скажем, заставить Солнце... ярче освещать фотопреобразователи. Для этого используют устройства, именуемые концентраторами. Они собирают солнечные лучи с большой площади и направляют их на относительно небольшие по размеру собственно фотопреобразующие панели.

Параболический  концентратор. Уже само название говорит  о том, что его чаша представляет собой параболоид, если направить  эту чашу на Солнце, то практически  все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности, соберутся  в небольшой области возле  фокуса параболоида. Коэффициент концентрации (отношение площади, с которой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к чрезмерному перегреву фотоэлемента. Приходится предусматривать систему охлаждения. Да и система автоматического слежения за Солнцем тоже нужна. Чуть-чуть отклонится Солнце от оси симметрии параболоида - сразу же происходит существенная потеря фотоэлектрической мощности.

          Одна из наиболее интересных разработок последних лет - призмакон. Это тоже призма. Но угол  при ее вершине имеет строго определенную величину. В зависимости от показателя преломления вещества, из которого сделана призма (чаще всего это органическое или оптическое стекло), угол выбирается таким, чтобы любой луч, попавший в призму, уже не мог пройти через отражающую поверхность и оказывался в ловушке. Ему остается один путь - к собирающей грани призмы.

Видимо, вы уже  догадались, что принцип работы призмакона основан на явлении полного внутреннего отражения, когда луч, входящий в оптически более плотную среду, отклоняется настолько, что следующую границу раздела ему преодолеть уже труднее, а при определенном, выше критического для данного вещества угле падения - невозможно.

Призмаконы были разработаны в НПО «Квант», в лаборатории кандидата технических наук Э. Тверьяновича. К сожалению, из-за бюрократических проволочек свой приоритет мы упустили. Пока шел неторопливый (около полугода) процесс оформления документов на заявку в Госкомизобретений, аналогичную заявку, опередив наших ученых на две недели, подал австралийский гелиотехник А. Житронч...

Упомянем  концентратор еще одного типа - люминесцентный. Принцип его работы несложен. В  оптическую пластину вкраплены люминофорные вещества. Свет, проникающий в пластину, возбуждает атомы люминофора, они  переизлучают поглощенные фотоны, которые из-за полного внутреннего отражения уже не могут прорваться через поверхности и завершают свой путь на фотособирающей грани.

В перспективе  подобные устройства могут быть использованы как усилители в будущих оптических ЭВМ. Пока же они проходят испытания  в научных лабораториях.

 

 

Энергия ветра.

 

              На первый взгляд ветер кажется  самым доступным из возобновляемых  источников энергии. В самом  деле: не в пример Солнцу, он  вполне "работоспособен" на юге  и на севере, зимой и летом,  днем и ночью, в дождь и  туман. Однако на этом все  достоинства и кончаются; дальше, увы, - сплошные недостатки... Прежде всего, это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в каких-то отдельных "месторождениях", подобно горючим ископаемым. И не пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса "размазана" по огромной территории. Правда, рассеянность, малая концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже. Его основные параметры - скорость и направление - меняются гораздо быстрее, в более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ).

             Во-первых, с учетом рассеянности  ветра стремятся "снимать"  его кинетическую энергию с  максимальной площади. Что имеется  в виду? Для ВЭУ обычной конструкции  (ветровое колесо на горизонтальной  оси) - это площадь круга, который  описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется  сметаемой площадью. Отсюда вроде  бы следует, что диаметр колеса (длину лопастей) надо всячески  наращивать. И действительно: известны  проекты гигантских ВЭУ с диаметром  ветроколеса до 120 м. Но для  таких габаритов сильные ветры,  в принципе более "выгодные", становятся уже нежелательными - из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность,  тут приходится дополнительно  страховаться даже от маловероятных  ураганных порывов и тем еще  больше перетяжелять громоздкую  конструкцию. Путь явно тупиковый. 

             Во-вторых, еще важнее добиться  равномерности, постоянства ветрового  потока на лопастях. Ведь, в конечном  счете, качество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, определяется  именно стабильностью момента  вращения и угловой скорости  на валу ее генератора. Но если  предыдущая проблема решается  хотя бы до известного предела,  то эта пока не решается  никак. 

               Общий вывод, видимо, ясен: нужна  установка принципиально новой  конструкции. 

 

Цифрами обозначены: 1 - направление  ветра; 2 - воздухозаборное устройство; 3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор; 5 - серводвигатель поворота; 6 - поворотный круг; 7 - диаметр ВУ; в - устройство сброса; 9 - отводящие воздуховоды; 10 -диффузор; 11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор, 13 - турбина.

 

Но существует и другой порок такого "лобового" подхода: допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину скорости. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить прежнюю  мощность установки, то сможем соответственно уменьшить ОП ветрового колеса. Тогда его диаметр) сократился бы в Ö 8 = 2,83 раза. Если же сумеем увеличить скорость втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз ( Ö27), и т.д.

Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно  загнать его в некое подобие  аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В нем, как  известно, скорость потока растет обратно  пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП.

         Но, пожалуй, предложенная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой.

 

Геотермальная энергия.

              Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

              В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100  распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.