2.4. Геотермальні енергетичні джерела

Людство вже дуже давно знайомо з виверженнями вулканів, гарячими джерелами води і гейзерами. Дотепер вірогідно не відома суть процесів, що відбуваються в глибинах нашої планети. Передбачається, що в центрі Землі знаходиться розплавлене ядро з температурою в декілька тисяч градусів. У зв’язку із цим, температура в шахтах і свердловинах зі збільшенням глибини на 30 м росте приблизно на 1°С. Є райони, в яких вказане зростання ще більше - до 2-х і більше градусів. У районах вулканічної активності глибини, що мають температуру в 200...300°С, відносно невеликі [14, 18].

У світі відомо 4 типи родовищ глибинної теплоти:

- парогідротерми - родовища пари і пароводяної суміші, що самовиливається;

- гідротерми - родовища гарячої води, що самовиливається;

- термоаномальні зони з підвищеним температурним градієнтом;

- петрогеотермальні зони з нагрітими до високих температур сухими гірничими породами - розташовуються в районах вулканічної активності.

В даний час розробляються в основному перші два типи родовищ. При температурах води або пари більших 150°С вони застосовуються для вироблення електроенергії (ГеоТЕС), при 30...150°С - як джерела теплоти.

Відомо, що в Древньому Римі гаряча вода в терми Каракалли підводилася з-під Землі. У 1827 р. на півночі Італії (північна Тоскана) Ф. Лардереллі уперше використав для виробничих потреб гарячу воду з декількох свердловин.

Перша енергетична установка, в якій теплота підземної водяної пари перетворювалась у електроенергію, була побудована в м. Лардерелло в 1904 р. Вона складалася з парової машини потужністю 40 к.с. і електрогенератора. Пізніше парові машини ГеоТЕС замінили паровими турбінами, що дозволило підвищити їх ефективність. Нарощувались продуктивність і потужність станцій. Наприклад, ГеоТЕС в Лардарелло у 50-х рр. мала потужність 274 тис. кВт і споживала за годину 3000 т пари тиском 0,5 МПа при температурі 200°С зі свердловин глибиною 150...300 м. Схема електростанції показана на рис. 2.13. Аналогічні ГеоТЕС працюють у багатьох країнах.

Підземна енергія застосовується і для теплопостачання. Наприклад, в Ісландії м. Рейк'явік опалюється тільки за рахунок підземної теплоти.

У 1980 р. загальна потужність ГеоТЕС світу склала 2,5 млн.кВт, в 2000 р. - 17,6 млн. кВт.

В багатьох країнах розвідані значні запаси термальних вод, широкі термоаномальні зони, але освоєння їх енергії вимагає обємних проектно-конструкторських робіт і великих матеріальних витрат.

2.5. Геліоенергетичні джерела

Сонце - найдревніше джерело енергії, відоме людині. Своїм існуванням усе живе на Землі зобов'язане Сонцю. Людство використовує його енергію, сконцентровану в їжі й органічному паливі.

Потік променистої енергії, що падає на Землю протягом року, складає приблизно 1,610¹⁸ кВтгод., що в 13000 разів більше сучасного світового енергоспоживання за цей же період. Однак на відміну від викопних палив і геотермальної енергії, сонячне випромінювання не може акумулюватися та зберігатися. Реалізований на початку XXІ в. внесок геліоенергетики в загальний обсяг енерговиробництва мізерно малий, тому що донедавна вважалося більш доцільним використання енергії води, нафти, газу, вугілля і ядерного палива. Це повязано з тим, що щільність сонячного випромінювання досить низька - у середньому 0,25 кВт/м² біля земної поверхні. Крім цього, слід врахувати нерегулярність надходження енергії, що обумовлено залежністю її величини від погоди (хмарності, температури), а також часу доби.

Багато століть людина використовувала сонячне тепло для сушіння овочів, фруктів, деревини, випарювання солі з води.

В одній з древньоєгипетських легенд XV в. до н.е. розповідається про статую фараона Аменхотепа III і кам'яного птаха, що видавали при сході Сонця звуки. У XVIII в. німець А. Кірхер пояснив це явище нагріванням сонячними променями повітря в порах каменю. Повітря розширювалося і виходило через пори назовні, викликаючи звуки.

За свідченням Плутарха при облозі Сіракуз Архімед за допомогою великої кількості металевих дзеркал, що концентрували сонячне світло, спалив частину римського флоту з 65 галер на відстані польоту стріли - близько 200 м. У 1973 р. дане свідчення було перевірено грецькими фізиками під керівництвом І. Саккаса. 70 чоловік з відполірованими мідними щитами направляли "сонячні зайчики" на макет давньоримського корабля, який миттєво спалахнув. Очевидно, Плутарх описав реальну подію.

Над запалювальними дзеркалами в VI в. працював Антему де Тралля, а у XIII в. - Роджер Бекон. Пізніше почалися розробки пристроїв, в яких сонячна енергія використовувалась для одержання пари, що служила робочим тілом. У 1615 р. француз С. де Ко винайшов сонячний насос. У 1833 р. американець Д. Еріксон побудував повітряний двигун з параболоциліндричним концентрато­ром сонячних променів для підігріву. У цей же час А. Піфф створив паровий двигун потужністю 0,5 кВт із концентратором площею 10 м². Аналогічну установку з параболічним дзер­калом у 1860 р. розробив та реалізував Огюст Мушо. Пізніше (у 1866 р.) він створив сонячну насосну установку, піч для варіння їжі, а в 1878 р. - сонячний холодильник. Перший плоский колектор сонячної енергії був побудований Ш. Тельєром. Його робоча площа складала 20 м², робочим тілом був аміак, від колектора приводився в дію поршневий двигун. У 1860 р. професор Цераський у Москві плавив метал в фокусі параболі­чного дзеркала при температурі більше 3000°С. У 1871 р. в Чилі американець Ч. Уілсон побудував велику геліоустановку для дистиляції води. У 1885 р. була запропонована сонячна установка для водопостачання з колектором, установленим на даху. У подальшому були зроблені ще ряд винаходів в області геліотехніки, однак в системі енергетики до 2-ї половини XX в. вона практично не використовувалася.

Головні напрямки сучасної наземної геліоенергетики - електропостачання невеликих виробництв і задоволення побутових потреб у зонах віддалених від енергосистем та систем теплопостачання. Створення великомасштабної геліоенергетики все ще віддалена мета.

Автономні сонячні установки для постачання теплом останнім часом отримують все більш широке розповсюдження. Так, в Японії водою, підігрітою Сонцем, користуються близько 5 млн. чоловік. В Ізраїлі 800 тис. будинків обладнані сонячними водонагрівачами, основним елементом яких є плоскі колектори з ККД до 50%, що забезпечують нагрівання до 50...55°С. Термін служби колекторів 30...40 років. Аналогічні установки діють в США, на Кубі і в інших країнах.

Сонячні електростанції (СЕС) перетворюють концентровану теплову сонячну енергію у водяну пару, яка забезпечує обертання турбогенератора. Станції обладнуються акумуляторами теплоти і системами автоматичного керування.

У СРСР перша СЕС потужністю 5 МВт була пущена в Криму в 1985р. Сонячний парогенератор із площею нагрівання 154 м² установлений на вежі висотою 70 м обігрівається 1600 плоскими дзеркалами площею по 25 м² кожне. Дзеркала мають автоматичну систему спостереження за Сонцем. Щільність сонячного потоку складає 130 кВт/м². Парогенератор виробляє 28 т пари за годину з тиском 4 МПа і температурою 250°С. СЕС працює 1920 год. у рік і виробляє 5,8 млн. кВтгод. електроенергії.

У 90-і рр. у США, Франції, Японії, Ізраїлі й інших країнах у посушливих районах були побудовані СЕС потужністю до 10 тис. кВт. Розробляються проекти СЕС потужністю до 300 тис. кВт і більше.

У СРСР у НВО "Астрофізика" були спроектовані СЕС із дзеркалами площею 5 і 7 м² і двигунама Стірлінга, що обертають генератори потужністю 2,5 і 5 кВт відповідно,.

Особливо перспективним слід вважати використання фотоелектричних перетворювачів - сонячних батарей. Хоча фотоелементи були відомі ще в XIX в., потужні перетворювачі світлової енергії в електричну стали можливими зі створенням наприкінці 40-х рр. XX в. напівпровідників. Великий внесок у їх розробку зробив академік А.Ф. Іоффе (1880 - 1960 рр.).

Батареї складаються з елементів, що послідовно або паралельно з'єднуються у групи, для одержання необхідної сили струму і напруги. Батарея площею 1 м² генерує до 100 Втгод. енергії [85].

Вперше сонячні батареї (СБ) були використані у 1958 р. для енергопостачання космічних апаратів - третього радянського супутника Землі й американського супутника "Авангард". В космосі сонячне випромінювання є єдиним постійним джерелом енергії для супутників і кораблів. Потужність СБ досягає десятків кіловатів, у перспективі - сотень кіловатів.

Перші СБ мали ККД 4...6%. Значні досягнення в технології їх виготовлення дозволили суттєво підвищити цей показник. Російські дослідники вважають, що ККД СБ може бути збільшений до 93% (СБ на каскадних гетероструктурах) при значному зниженні вартості елементів. Це зробить доцільним їх використання і в наземних умовах при наближенні ефективності СБ до ефективності теплових електростанцій. Існують пропозиції щодо створення космічних геліостанцій, але проблемою залишається їх висока вартість, а головне - доставка енергії на Землю.

Наприкінці XX в. у більш ніж 70 країнах були прийняті програми розвитку геліоенергетики. Лідером в даній галузі стала Швейцарія, де невеликі геліоустановки працюють паралельно загальній електромережі. Очікується, що в Європі СБ почнуть в окремих районах витісняти дизельні електростанції, оскільки у випадку їх впровадження зменшуються витрати на будівництво й експлуатацію ЛЕП.