Использование возобновляемых источников энергии Характеристика новых и возобновляемых источников энергии.

К новым и возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) относят:

• солнечную,

• гидроэнергию,

• геотермальную,

• ветровую,

• приливную,

• энергию волн,

• температурный градиент Мирового океана,

• ( нелесную биомассу, древесину, древесный уголь, торф, энергию животных, горючие сланцы и битуминозные песчаники. )

На пути освоения НВИЭ в настоящее время имеются значительные технико­экономические трудности, которые обусловлены малой степенью концентрации энергии в этих источниках и низкой эффективностью преобразования.

Солнечная энергия. При получении энергии от Солнца путем преобразования ее в тепловую, электрическую или оптического диапазона, принято выделять наземную и космическую гелиоэнергетику. Полная мощность излучения Солнца составляет 4·10²⁶ Вт. Согласно оценкам экспертов солнечное излучение приносит Земле примерно 2000Q в год (1Q=1,055·10²¹ Дж = 36 млрд. т.у.т.). Потребление энергии в мире на современном уровне составляет всего около 0,02% по сравнению с потоком солнечной энергии, поступающей на Землю. Однако этого количества энергии достаточно, чтобы в тысячи раз перекрыть общую мощность всех электростанций мира.

Как известно, основным источником всех процессов, происходящих в биосфере, является солнечная энергия, падающая на горизонтальную поверхность Земли со средней плотностью 1,36 кВт/м². Использование лишь 0,01 % общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить мировые потребности в энергии. Подсчитано, что за год от Солнца на Землю поступает в 10 раз больше энергии, чем ее запасено во всех разведанных ископаемых энергоносителях.

К недостаткам солнечной энергии относят дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий.

Существует два основных направления использования солнечной энергии:

1) выработка электрической энергии;

2) получение тепловой энергии (теплоснабжение).

Применение солнечных электрогенераторов находится все еще в начальной стадии, зато использование солнечного теплоснабжения для обогрева жилых зданий занимает в мировой практике уже значительное место.

Так, в США в 1977г. насчитывалось около 1000 солнечных домов, в 90-е гг. число их превысило 15 тысяч. Солнечные установки для подогрева воды имеются у 90% домов на Кипре и у 70% в Израиле. Только за последние 15 лет в Японии построены сотни тысяч зданий с солнечным подогревом, что позволило резко уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов.

Солнечная энергетика в России развита совершенно недостаточно, хотя половина ее территории находится в благоприятных для использования солнечной энергии условиях (поступает не менее 100 кВт-ч/м²), а в таких районах, как Дагестан, Бурятия, Приморье, Астраханская область и др., - до 200 кВт-ч/м² солнечной энергии в год.

Солнечная энергия очень удобна для энергоснабжения зданий. Как показали экспериментальные исследования, только за счет энергии солнечных лучей, падающих на ограждающие конструкции зданий, можно полностью решить энергетические проблемы, связанные с их обогревом, горячим водоснабжением и др.

Существует три вида гелиосистем, служащих для удовлетворения тепловых нужд здания: пассивные, активные и смешанные (Швецов, 1994).

В пассивных гелиосистемах само здание служит приемником и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвекции.

Основным элементом более дорогостоящей активной гелиосистемы является коллектор − приемник солнечной энергии, где солнечный свет преобразуется в тепло. Гелиоколлектор представляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие (стекло или пленку), попадает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водоснабжение.

Оценивая эффективность применения солнечного теплоснабжения в нашей стране, Н. Пинигин и А. Александров (1990) показали, что использование солнечных установок в режиме круглогодичного горячего водоснабжения зданий экономически целесообразно практически для всей южной части Российской Федерации.

В последние годы созданы установки с сезонным аккумулированием тепла, что позволяет, даже в условиях Сибири, сохранить до 30% топливных ресурсов и использовать их для обогрева небольших домов в зимний период. Необходимы дальнейшие поиски использования солнечной энергии не только в южных, но и в северных районах России, особенно учитывая, что в Норвегии и Финляндии такой опыт уже имеется.

Использование солнечной энергии в жилищно-строительной сфере не ограничивается только теплоснабжением жилых зданий. Так, АО «ПИ-2» разработало серию проектов гелиополигонов (стационарных и мобильных, сезонных и круглогодичного действия), в которых впервые в мире для термовлажностной обработки сборных железобетонных конструкций и изделий была использована солнечная энергия без промежуточных превращений. После укладки гелиопокрытия (СВИТ АП) железобетонное изделие превращается в аккумулятор тепла, после чего начинает действовать другой источник тепла − экзотермия цемента.

Строительство таких гелиополигонов позволяет сократить объемы строительно-монтажных работ, повысить долговечность и качество изделий, снизить его стоимость, отказаться от котельной, теплотрасс, пропарочных камер, уменьшить нагрузку на окружающую среду.

Солнечная энергия, приходящая к Земле, перераспределяется по двум каналам:

• отражается в Космос

• преобразуется в геосферах Земли.

Преобразованная в геосферах Земли солнечная энергия аккумулируется в виде невозобновляемых источников (ископаемые энергоносители) или возобновляемых (растения, ветер, волны и т.д.). Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревают тот или иной теплоноситель. В таких гелиоконденсаторных ус­тановках солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Первая солнечная электростанция в СССР мощностью 5 МВт была построена в Крыму.

По оценкам специалистов, гелиоконденсаторные установки могут сыграть очень важную роль в решении локальных проблем некоторых пустынных районов мира и, возможно, даже некоторых южных стран в целом. Однако значительный вклад гелиоконденсаторных установок в мировую энергетику невозможен из-за рассеянности солнечной энергии и необходимости сооружения колоссальных по площади и расходу конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Такие отражатели занимают более 10% площади, занимаемой гелиоконденсаторной станцией, что приводит к изменению коэффициента отражения земной по­верхности и, как следствие этого, к нарушению теплового баланса региона. Компенсировать это явление можно, разместив на территории станции пассивные отражатели.

В настоящее время суммарная площадь отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м², из них 1,8 млрд м² -в США и 1,3млрд м в Японии.

Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи (СБ). В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия (рис. 8.6). В настоящее время. КПД ФЭП на основе кремния составляет 13-15%. Усовершенствовав технологию их производства можно довести КПД до 15-17%. Фотоэлектростанции (ФС) используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда усиленно работают установки кондиционирования воздуха. Преобразование солнечной энергии в излучение оптического диапазона предполагает ее концентрацию и передачу по светопроводящим каналам к потребителю. Идея солнечной космической электростанции (СКЭС) была запатентована американским ученым П.Э. Глезером в 1973г. Он же предложил для их размещения стационарную орбиту. Основным преимуществом СКЭС является то, что она будет обеспечивать круглосуточное генерирование электроэнергии, однако встает трудноразрешимый вопрос о ее передаче на Землю.

Кроме того, следует иметь в виду, что плотность потока солнечной энергии на Землю мала (около 0,16 кВт на 1м²) и зависит от времени года, суток и погодных условий.

В настоящее время солнечная энергия применяется для получения тепла (отопление, вентиляция, кондиционирование, горячее водоснабжение, опреснение воды, сушка фруктов, водоподъем и др.) и для выработки электроэнергии. По оценкам специалистов солнечные установки для получения тепла экономически рентабельны в зонах от 50⁰ южной широты и 50⁰ северной широты.

(Электрическую энергию можно получать путем термодинамического, фото- и термоэлектрического и термоионного преобразований.)

Гидроэнергетические ресурсы. Мировой гидроэнергетический потенциал земного шара оценивается в 3,8 млрд. кВт, а экономически целесообразные для эксплуатации ресурсы составляют только 1 млрд. кВт. Эти ресурсы используются на уровне 8,5%. Доля гидроэнергии в мировом энергобалансе составляет около 7%.

Гидроэлектростанции традиционно считались сравнительно дешевыми и экологически чистыми источниками энергии. Под влиянием этой иллюзии у нас были созданы мощные Братская, Красноярская, Енисейская и другие ГЭС. Сейчас доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии составляет 6%. Сегодня ГЭС и создаваемые при их строительстве водохранилища − это наиболее крупные техногенные объекты, расположенные в густонаселенных районах страны. Площадь Самарского водохранилища составляет 6450 км², Братского - 5470 км² (соизмерима с площадью, например, Телецкого озера в Горном Алтае), Рыбинского – 4550 км², Волгоградского – 3120 км² и т.д..

Регулирование рек позволило направить воду на орошаемые поля, заводы, электростанции. Гидроузлы ликвидировали во многих районах опасность весенних наводнений. В то же время водохранилища привели к изъятию из пользования миллионов гектаров пашни, лесов, лучших заливных лугов, а также затопили дороги, селения, памятники культуры, месторождения полезных ископаемых и другие ценные объекты. Просачиваясь в грунт, вода подтапливает и заболачивает обширные территории, изменяя их ландшафт и микроклимат. Только в европейской части России под водохранилища отдано около 18% посевных площадей.

Горький опыт показывает, что у плотин ГЭС гибнет в огромных количествах животный и растительный мир рек. «Живая вода» верхнего бьефа водохранилищ становится «мертвой» в нижнем бьефе. Многолетние наблюдения говорят о том, что количество рыбы, уничтожаемой на водозаборах ГЭС, многократно превышает то, что дают все рыбные предприятия страны. По данным Каспийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства, только на водозаборах Астраханской области ежегодно гибнет 14,4 млн. молоди рыб.

Подготовка ложа водохранилищ всегда велась с нарушением ­требований экологии. По «экономическим» соображениям полная вырубка лесов ложа была «нецелесообразна» и к тому же отодвигала сроки ввода ГЭС на несколько лет. Только при строительстве Усть-Илимской ГЭС под водой оказалось более 20 млн. м^З древесины.

После нескольких лет эксплуатации приходится расплачиваться за «экономию»: лес гниет, водоемы становятся непригодными для всего живого и для судоходства (из-за появления бревен на поверхности).

После запуска первой ГЭС Енисей перестал замерзать на десятки километров ниже плотины, следовательно, изменились и условия обитания в этом районе. Другим стал и климат: сухой и здоровый воздух побережья быстро сменился влажным, туманным. Лес, находящийся на дне Красноярского моря постепенно превращает водохранилище в зеленое цветущее месиво. При строительстве Красноярской ГЭС в плотине не были предусмотрены рыбоприемники и рыбоходы, что привело к прекращению нереста рыбы ценных пород в верхнем течении Енисея. А ведь Енисей − равнинная река, не нуждающаяся в плотинах, требующая особого режима охраны природы.

Перспективным направлением в энергосбережении считается извлечение тепловой энергии из водонасыщенных пластов, залегающих на глубинах 2-3км и имеющих температуру 150-200°С. На выбранной площадке бурят вертикальные и наклонные нагнетательные скважины, по которым закачивается теплоноситель, который прогревается горячими породами, а затем откачивается. Подобная теплоэнергетическая система называется циркуляционной и ее применение вполне целесообразно во многих районах СНГ (Северный Кавказ, Крым, Армения, Закарпатье и др.). Первая в России термоциркуляцлонная система действовала в г. Грозном, где вода после использования в теплицах нагнеталась на глубину 1 км и там она вновь нагревалась.

И, наконец, последнее − экономическая целесообразность ГЭС. По расчетам экономистов, капиталовложения в ГЭС окупаются не менее чем через 20 лет, тогда как экономически выгодным считается срок 8,3 года. Так что число мощных гидроэлектростанций впредь, похоже, расти не будет, поскольку их сооружение связано с затоплением больших территорий, что − экономически крайне невыгодно.