АЛЬТЕРНАТИВНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ, Дуже важлива проблема для даної епохи: як отримати багато енергії і якомога дешевше

 

 

 

 

«АЛЬТЕРНАТИВНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ»

 

 

 

Роботу виконав:

Гульман Олександр Володимирович,

вчитель математики та фізики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2017 рік
З М І С Т

І. Вступ……………………………………………………………………………...3

ІІ. Види джерел енергії…………………………………………………………….4

1. Традиційні види джерел енергії………………………………………….4

2. Альтернативні джерела енергії………………………………………….14

3.  Розрахунки щодо використання альтернативних джерел енергії для потреб школи……………………………………………………………………………32

ІІІ. Висновок………………………………………………………………………36

І. Вступ

Мета і завдання проекту

• Виявити переваги і недоліки традиційних джерел енергії
• Провести дослідження наявних світових енергетичних комплексів з метою виявлення найбільш безпечних з точки зору екології
• Запропонувати можливі шляхи вирішення виявлених проблем
• Дослідити проблеми енергозабезпечення школи альтернативними джерелами енергії  з точки зору економії та екології

Короткий зміст проекту

Дуже важлива  проблема для даної епохи: як отримати багато енергії і якомога дешевше? Проект дозволяє детально познайомитися з традиційними та альтернативними джерелами енергії, розглянути економічну доцільність використання різних джерел енергії в нашому регіоні. Під час проекту передбачається робота учнів з різними джерелами інформації .

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Які дидактичні цілі і методичні завдання ми ставите в своєму проекті?

1. Ознайомитись з традиційними (теплоелектростанції, гідроелектростанції) та альтернативними джерелами енергії (геотермальна енергія, сонячна енергія, атомна енергія, енергія біомаси, енергія вітру, припливів)

2. Розглянути економічну доцільність використання різних джерел енергії в нашому  регіоні.

Питання, що направляють проект

1. Чи може природа дати нам безкоштовну енергію?
2. Як заощадити на виробництві енергії?
3. Чи може бути електростанція безпечною для людини?
4. Як використовувати енергію Сонця?
5. Як застосувати енергію вітру?
6. Як вибрати вид енергії для енергозабезпечення певних регіонів?

Методи дослідження: описовий, практично-прикладний, порівняльний, виконання розрахунків.

 

ІІ. Види джерел енергії.

ІІ.1. Традиційні джерела енергії.

До традиційних джерел виробництва електроенергії прийнято відносити виробництво електроенергії на ТЕС, ГЕС і АЕС. Кожна з сучасних електростанцій має свої недоліки: ГЕС – змінами водного балансу та негативний вплив на екосистеми, ТЕС – викидами в атмосферу шкідливих речовин, тепловим забрудненням рік, АЕС – загрозою радіоактивного забруднення.

 Виробництво електроенергії на ТЕС (теплових електростанціях) займає у світі сьогодні перше місце. Однак ТЕС досить сильно забруднюють навколишнє середовище.

 Гідроенергетика має великі перспективи розвитку. Питома вага гідроенергії у світовому енергетичному балансі на середину 90-х років дорівнювала 20%. За потужністю (більш 5 млн кВт) і кількістю електростанцій першість належить Бразилії, США та Венесуелі. У Росії споруджено кілька каскадів ГЕС: Волго-Камський, Ангаро-Єнісейський. На Ангаро-Єнісейському каскаді діють Саяно-Шушенська (6,4 млн кВт), Красноярська (6 млн Вт), Братська (4,5 млн кВт), Усть-Ілімська (4,3 млн кВт) та інші ГЕС. Великі ГЕС споруджені у Бразилії, США, Канаді. Наприклад, Гранд-Кулі на р. Колумбія у США (10,8 млн кВт), Черчил у Канаді (5,2 млн кВт), Ітайпу в Бразилії (12,6 млн кВт). В Китаї будується найбільша в світі ГЕС "Три ущелини" на річці Янцзи потужністю 17,7 млн кВт.

 Попри гідроенергетичне будівництво, що триває в усьому світі, роль ГЕС в енергопостачанні постійно зменшується. Це пояснюється вищими темпами спорудження ТЕС, що працюють на мінеральному паливі.

 Атомна енергетика стала окремою галуззю енергетики після другої світової війни. Сьогодні вона відіграє важливу роль в електроенергетиці багатьох країн світу.

 Атомні електростанції (АЕС) використовують транспортабельне паливо — уран, їх розташовують незалежно від паливно-енергетичного фактора та орієнтують на споживачів у районах з напруженим паливно-енергетичним балансом. Оскільки АБС дуже водомісткі, їх споруджують біля водних джерел. До найбільших експортерів уранових концентратів належать Канада, Австралія, ПАР, Нігер, Бразилія і США. Роль атомних електростанцій безперервно зростає. Станом на 1995 рік у світі вже працювало 428 реакторів загальною потужністю 358 млн кВт, 108 реакторів 30 % потужностей) було в США, 55 (17 % потужностей) - у Франції, 49 (10 % потужностей) - в Японії, більш як по 10 реакторів мали ФРН, Канада, Великобританія, Росія, Україна, Швеція та Республіка Корея (кожна з країн 4-6 %світових потужностей АЕС). В окремих країнах частка електроенергії, що виробляється на атомних станціях, винятково велика. Так, у Франції АЕС виробляють 3/4 електроенергії країни, в Бельгії та Литві - 3/5, в Україні, Швеції, Угорщині, Словаччині і Республіці Корея - понад 1/3. Видобуток урану для атомної енергетики світу зосереджений у невеликій групі країн: Канаді, ПАР, Австралії СІЛА, Нігері, Франції, ФРН, Україні, Казахстані, Узбекистані.

 Електроенергетика - вкрай потрібна галузь для сучасного суспільства. Однак, крім великої користі, вона приносить чимало екологічних проблем. Використання лише традиційних джерел енергії (нафти, газу, ядерного палива) руйнує і забруднює землю, водні ресурси й повітря.

 Гідроенергетичні технології мають багато переваг, але є й значні недоліки. Приміром, дощові сезони, низькі водні ресурси під час засухи можуть серйозно впливати на кількість виробленої енергії. Це може стати значною проблемою там, де гідроенергія складає значну частину в енергетичному комплексі країни; будівництво гребель є причиною багатьох проблем: переселення мешканців, пересихання природних русел річок, замулення водосховищ, водних суперечок між сусідніми країнами, значної вартості цих проектів. Будівництво ГЕС на рівнинних річках призводить до затоплення великих територій. Значна частина площі водойм, що утворюються, — мілководдя. У літній час за рахунок сонячної радіації в них активно розвивається водяна рослинність, відбувається так зване «цвітіння» води.

Щодо шкідливості ТЕС, то під час згоряння палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речовини: закис вуглецю, сполуки азоту, сполуки свинцю, а також виділяється в атмосферу значна кількість теплоти. Крім того, застосування парових турбін на ТЕС потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд. тонн вугілля і 3,2 млрд. тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосферу 2-10'°Дж теплоти. Запаси органічного палива на Землі розподілені вкрай нерівномірно, і за теперішніх темпів споживання вугілля вистачить на 150—200 років, нафти - на 40—50 років, а газу приблизно на 60 років. Весь цикл робіт, пов'язаних з видобутком, перевезенням і спалюванням органічного палива (головним чином вугілля), а також утворенням відходів, супроводжується виділенням великої кількості хімічних забруднювачів. Видобуток вугілля пов'язаний із чималим засоленням водних резервуарів, куди скидаються води із шахт. Крім цього, у воді, що відкачується, містяться ізотопи радію і радон. ТЕС, хоча й має сучасні системи очищення продуктів спалювання вугілля, викидає за один рік в атмосферу за різними оцінками від 10 до 120 тис. тонн оксидів сірки, 2—20 тис. тонн оксидів азоту, /700—1500 тонн попелу (без очищення — в 2т-3 рази більше) і виділяє 3—7 млн. тонн оксиду вуглецю. Крім того, утворюється понад-300 тис. тонн золи, яка містить близько 400-т токсичних металів (Арсену, кадмію, свинцю, ртуті). Можна відзначити, що ТЕС, яка працює на вугіллі, викидає в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС такої самої потужності. Це пов'язано з викидом різних радіоактивних елементів, що містяться у вугіллі у вигляді вкраплень (радій, торій, полоній та ін.). Для кількісної оцінки дії радіації вводиться поняття «колективна доза», тобто добуток значення дози на кількість населення, що зазнало впливу радіації . Виявилося, що на початку 90-х років минулого століття щорічна колективна доза опромінення населення України за рахунок теплової енергетики становила 767 люд/зв і за рахунок атомної— 188 люд/зв.

 У наш час в атмосферу щорічно викидається 20—30 млрд. тонн оксиду вуглецю. Прогнози свідчать, що при збереженні таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитися на декілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін. Порівнюючи екологічну дію різних енергоджерел, необхідно врахувати їх вплив на здоров'я людини. Високий ризик для працівників у випадку використання вугілля пов'язаний із його видобутком у шахтах і транспортуванням і з екологічним впливом продуктів його спалювання. Останні дві причини стосуються нафти й газу та впливають на все населення. Встановлено, що глобальний вплив викидів від спалювання вугілля й нафти на здоров'я людей діє приблизно так само, як аварія типу Чорнобильської, що повторюється раз на рік. Це - «тихий Чорнобиль», наслідки якого безпосередньо невидимі, але постійно впливають на екологію. Концентрація токсичних домішок у хімічних відходах стабільна, і врешті-решт усі вони перейдуть у екосферу, на відміну від радіоактивних відходів АЕС, що розпадаються.

У цілому реальний радіаційний вплив АЕС на природне середовище є набагато (у 10 і більше разів) меншим припустимого. Якщо врахувати екологічну дію різноманітних енергоджерел на здоров'я людей, то серед не відновлюваних джерел енергії ризик від нормально працюючих АЕС мінімальний як для працівників, діяльність яких пов'язана з різними етапами ядерного паливного циклу, так і для населення. Глобальний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу нині становить близько 0,1 % природного фону і не перевищить 1 % навіть при найінтенсивнішому її розвитку в майбутньому.

 Видобуток і переробка уранових руд також пов'язані з несприятливою екологічною дією. Колективна доза, отримана персоналом установки і населенням на всіх етапах видобутку урану й виготовлення палива для реакторів, становить 14% повної дози ядерного паливного циклу. Але головною проблемою залишається поховання високоактивних відходів. Обсяг особливо небезпечних радіоактивних відходів становить приблизно одну стотисячну частину загальної кількості відходів, серед яких є високотоксичні хімічні елементи та їх стійкі сполуки. Розробляються методи їх концентрації, надійного зв'язування й розміщення у тривких геологічних формаціях, де за розрахунками фахівців, вони можуть утримуватися протягом тисячоліть Серйозним недоліком атомної енергетики є радіоактивність використовуваного палива і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різного типу радіоактивного випромінювання, що значно підвищує вартість енергії, яку виробляють АЕС. Крім цього, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто її нагрівання.

Цікаво відзначити, що за даними групи англійських медиків, особи, що працювали протягом 1946— 1988 рр. на підприємствах британської ядерної промисловості, живуть у середньому довше, а рівень смертності серед них від усіх причин, включаючи рак, значно нижчий. Якщо враховувати реальні рівні радіації та концентрації хімічних речовин в атмосфері, то можна сказати, що вплив останніх на флору в цілому досить значний порівняно із впливом радіації.

 Наведені дані свідчать, що за нормальної роботи енергетичних установок екологічний вплив атомної енергетики у десятки разів нижчий, ніж теплової.

Імовірнісний метод розрахунку безпеки АЕС у цілому свідчить, що при виробленні однієї й тієї самої одиниці електроенергії, імовірність великої аварії на АЕС у 100 разів нижча, ніж у випадку вугільної енергетики. Висновки з такого порівняння очевидні.

 У 2004 році світове виробництво електроенергії перевищило 12 млрд кВт • год, 2/3 її виробляється на теплових (ТЕС), 1/6 - гідравлічних, 1/6 - на атомних електростанціях. Теплові станції використовують як паливо переважно вугілля та мазут, оскільки нафта та газ більш цінні енергоносії. Будівництво ТЕС порівняно дешеве, але несприятливим є екологічний вплив - забруднення атмосфери та теплове забруднення. Гідроелектростанції, навпаки, дорогі в будівництві, але дають дешеву енергію, їх будівництво залежить від запасів гідроресурсів, які зосереджені в гірських районах Азії та азіатської частини СНД, Північної та Південної Америки, екваторіальної Африки.

 Отже, сьогодні електроенергію можна отримувати найрізноманітнішими способами, але до основних джерел виробництва електричної енергії прийнято відносини ТЕС (теплові електростанції – отримання енергії за рахунок спалювання вугілля, газу або нафтопродуктів), ГЕС (гідроелектростанції – отримання електроенергії за рахунок перепаду рівня води, яка обертає гідротурбіни), АЕС (атомні електростанції – відносно нові, але досить поширені електростанції, які дають змогу отримувати з атомної енергії електроенергію)

Відкриття в давнину вогню і з'явилася можливість спалювання деревини вперше зробили доступним використання для людства великої кількості енергії. Пізніше (4000 - 3500 років до н.е.), з появою перших парусних суден і вітряних млинів, а також з початком використання енергії води у водяних млинах і для систем іригації, культурний розвиток людства прискорилося. Протягом декількох тисяч років потреби людства в енергії задовольнялися лише за рахунок поновлюваних джерел енергії - Сонця, біомаси, гідроенергії та енергії вітру. Так тривало до початку індустріальної революції і виникнення можливості перетворювати теплову енергію в механічну, що збільшила споживання енергії і прискорила індустріальний розвиток.

Енергію, яку ми використовуємо сьогодні, отримують, в основному, з викопних видів палива. (Газ, нафта, вугілля, деревини, уран і т.д.)

Всі ці види палива створені протягом мільйонів років в процесі розпаду рослин і тварин. Місце розташування цих ресурсів - надра Землі. Під впливом високої температури і тиску процес утворення викопних видів палива продовжується і сьогодні, проте їх використання відбувається набагато швидше, ніж освіта. З цієї причини викопні види палива вважаються непоновлюваними, оскільки їхні ресурси можуть вичерпатися в недалекому майбутньому.

Кам'яне вугілля

Вугілля забезпечує близько 35% вироблюваної у світі енергії. Він став застосовуватися раніше інших видів викопного палива. Велика частина покладів вугілля утворилася в кам'яновугільний період (286-360 млн. років назад)

Світові запаси кам'яного вугілля величезні. За останніми оцінками, промислові запаси становлять близько 910 млрд. тонн, а якщо сюди додати поклади вугілля, розробка яких економічно невигідна, то ця цифра зросте приблизно до 1800 млрд. тонн. При нинішніх темпах споживання цих запасів вистачить на 200 з гаком років. Близько 85% покладів кам'яного вугілля зосереджені в Китаї, колишньому Радянському Союзі і США. Причому в США перебуває 30-35% його світових запасів.

Нафта

Нафта забезпечує близько 40% вироблюваної у світі енергії. Вона утворилася багато мільйонів років тому в результаті розкладання планктону крихітних морських тварин і рослин.

У трьох регіонах миру на Близькому Сході, в Африці та Латинській Америці видобуток нафти перевищує її споживання. Найбільшими споживачами є США, Канада, Японія і Європа.

У 1990-і рр.. добовий витрата нафти в США і Канаді становив близько 13 млн. барелів, а видобуток приблизно 8 млн. барелів. Усі європейські країни, включаючи колишній Радянський Союз, споживали ще 22 млн. барелів на день. Світовий видобуток нафти становив близько 61 млн. барелів на добу, з них 11 млн. барелів добували в колишньому СРСР.

Така різниця між видобутком і споживанням нафти чревата конфліктними політичними ситуаціями. Коли в 1990 р. Ірак вторгся до Кувейту, погрожуючи при цьому нафтовим родовищам Саудівської Аравії, найбільші споживачі нафти втрутилися в конфлікт, щоб захистити свої власні інтереси, а також інтереси Кувейту, Саудівської Аравії та інших країн Перської затоки.

Природний газ

Природний газ забезпечує близько 20% вироблюваної у світі енергії. Він утворився так само, як і нафта, і ,звичайно, його видобуток ведеться паралельно з видобутком нафти з одного і того ж родовища. Природний газ складається в основному з метану. Вважається, що світові запаси природного газу приблизно такі ж, як і нафти, але вимірюються вони в інших одиницях кубічних метрах, а не барелях.

Перше місце в світі з видобутку природного газу займає колишній СРСР: наприкінці 1980-х рр.. тут добували близько 650 млрд. м3 на рік. Далі йдуть США (487 млрд. м3) Канада (96 млрд. м3), Нідерланди (80 млрд. м3) і Великобританія (45 млрд. м3). Природний газ використовується головним чином як палива, як для побутових, так і для промислових цілей.

Там, де відчувається нестача природного газу, використовується штучний газ. Основною сировиною для його отримання служить кам'яне вугілля, при випалі якого утворюється газ і кокс.

Атомна енергія

З моменту створення атомної бомби в 1945 р. великі надії пов'язували з використанням атомних електростанцій (АЕС) для забезпечення основної частки світових потреб в енергії. На початок 1990-х рр.. 435 діючих АЕС виробляли близько 1% виробленої у світі енергії.

У ядерному реакторі тепло отримують при розщепленні атома радіоактивного елемента, відомого як уран-235. Виділяється в ході ядерної реакції тепло використовується для виробництва пари, що обертає турбіни для вироблення електроенергії.

Ізотоп U-235 становить лише 0,7% усіх запасів урану. Більше 99% це уран-238. Запаси U-235, як і викопного палива, не безмежні. Однак за допомогою так званого реактора-розмножувачі з U-238 можна отримувати інший радіоактивний елемент плутоній-239. Якщо реактори-розмножувачі отримають поширення, світових запасів урану вистачить на тисячі років.

Атомна енергія має ряд переваг. Вона забезпечує економну витрату палива: одна тонна U-235 дає більше енергії, ніж 12 млн. барелів нафти. Це чистий, не забруднює атмосферу вид енергії.

Але є й недоліки. Будівництво АЕС обходиться дорого. При їх експлуатації утворюються небезпечні радіоактивні відходи. А в результаті ядерної аварії, подібної тій, що сталася на Чорнобильській АЕС в Україну в 1986 р., можуть бути заражені величезні території, що викличе серйозні захворювання і навіть смерть людей. Після чорнобильської катастрофи деякі країни вирішили закрити свої АЕС.

Теплові двигуни

Найбільша кількість двигунів припадає на теплові двигуни. І хоча винайшли їх досить давно, уявити сучасне життя без них просто неможливо. Дійсно, більшість літаків, кораблів, машин та автомобілів обладнані саме такими двигунами. Отже, що ж розуміють під тепловими двигунами?

Теплові двигуни – це пристрої, що перетворюють енергію палива в механічну енергію.

Принципи дії теплових двигунів

Для того, щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обох сторонах поршня двигуна чи лопат турбіни. В усіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.

Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, що робить роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через t1.

У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбін підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена необоротністю процесів у природі. Якби теплота могла мимовільно повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути цілком перетворена в корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.

Відповідно до закону збереження енергії робота, здійснювана двигуном, дорівнює:

A"=|Ql|-|Q2|

де Q1 — кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q2 - кількість теплоти, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А", здійсненої двигуном, до кількості теплоти,  отриманій від нагрівача:

ККД теплового двигуна менше одиниці. При Т1-Т2=0 двигун не може працювати.

Максимальне значення ККД теплових двигунів

Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2. Уперше це зробив французький інженер і вчений Сади Карно.

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він одержав для ККД цієї машини наступне значення:

Як і очікувалось, ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача і холодильника.

Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2 не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.

При температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, η=1

Гальванічні елементи

Гальванічні елементи. Акумулятори

Найперші джерела струму одержали свою назву на честь італійського фізика Луїджі Гальвані. Прикладом гальванічного елемента може бути елемент конструкції італійського фізика Алессандро Вольти (1799 р.).

Мідна і цинкова пластинки занурені у водний розчин сірчаної кислоти . Цинк і мідь розчиняються в кислоті. У результаті хімічних процесів мідь стає позитивним електродом (зарядженим позитивно стосовно цинку), а цинк — негативним. Через зовнішній провідник R іде струм при замкненні ключа К (за напрям струму прийнятий напрям руху зарядів від позитивного електрода до негативного).

 

Гальванічні елементи — це джерела струму з невідновлюваним запасом електричної енергії (наприклад, батарейки для калькуляторів, годинників, ліхтариків та ін.).

Пізніше було винайдено джерела струму, енергію яких можна відновлювати, — акумулятори (від латин. «збирач»). Прикладом акумулятора може бути свинцево-кислотний акумулятор. Якби у водний розчин сірчаної кислоти занурили два однакові електроди, вкриті оксидом свинцю, то вони за рахунок хімічного розчинення свинцю в кислоті мали б однакову електричну полярність (негативну). Акумулятор спочатку заряджають від джерела постійного струму. У результаті електролізу на електроді, з’єднаному з позитивним полюсом джерела зарядки, виділяється Оксиген, а на з’єднаному з негативним полюсом — Гідроген. Перший з них викликає додаткове окиснення матеріалу електрода, другий — реакцію відновлення металевого свинцю з його оксиду. Внаслідок цього акумулятор виявляється зарядженим. Напрям струму розрядки через провідник R протилежний напряму струму зарядки, а полярність електродів акумулятора незмінна.

 ІІ.2. Альтернативні джерела енергії

Зараз, як ніколи раніш, гостро постало питання: що чекає на людство - енергетичне голодування чи енергетичний достаток? Очевидно, що зараз людство переживає енергетичну кризу: бажані потреби людства у електричній енергії у декілька разів перевищують виготовлення! І це при тому, що остання цифра є майже фантастичною - 27-30 трлд. кіловат-годин щороку.

Рівень матеріальної, а відповідно і духовної культури людства прямо залежить від кількості енергії, що воно має. Для того, щоб виготовити будь-яку річ нам потрібна енергія. Матеріальні потреби людства як і популяція людей постійно збільшуються, тому потреба у енергії збільшується геометрично.

Засоби масової інформації постійно інформують нас про винайдення різноманітних нових, більш екологічно чистих способів добути енергію. Але ж в чому тоді причина повільного зростання частки таких джерел у загальному видобутку енергії. Справа у тому, що досі не знайдено джерела енергії, більш рентабельного за найдавніший спосіб видобутку енергії - спалення. І зараз 80% всієї енергії людство отримує спалюючи вугілля,нафту та нафтопродукти, природній газ, торф тощо. Але тих запасів енергії, що природа накопичувала сотні мільйонів років, вистачить лише на декілька сот  років. Отже, єдиний спосіб змусити людину перейти на більш екологічно чисті джерела енергії - це прийняття на державному рівні та на рівні світової спільноти низки регулюючих актів, котрі б обмежили видобуток паливних ресурсів. Але ряд держав (перш за все це держави Перської затоки) і не збираються обмежувати таким способом свої прибутки.

Отже, основний тягар по збереженню енергії лягає на розвинені держави Північної Америки та Європи. Все більше і більше вчених шукають якомога рентабельніші джерела, котрі б використовували відновлювані ресурси і котрі б змогли хоча б частково замінити паливні. Найбільш підходять такі джерела як використання енергії текучої води та вітру, океанських припливів та відпливів, тепла земних надр та, звичайно, енергії Сонця. Також багатообіцяючими є дослідження, метою яких є спроба повторити термоядерні процеси, що відбуваються на зірках.

Поняття про енергію, що містить певна матерія є відносним. Наприклад, якщо відносно Землі течія річки рухається зі швидкістю 10 км/год, а відносно моторного човна, що пливе проти течії - 50 км/год, то відповідно: якщо ми розмістимо апарат, що видобуває енергію за рахунок руху води, на березі то ми отримаємо в п'ять разів менше енергії ніж якби ми розмістили цей же апарат на човні. Тож відносно човна течія містить більше енергії ніж відносно берега.

Сонячна енергія

В останній час інтерес до проблеми використання сонячної енергії різко збільшився. В даній частині я розгляну можливості саме безпосереднього використання сонячної енергії; хоча більшість всієї енергії, що потрапляє на Землю є сонячною, та основна частина її зосереджується у атмосфері та гідросфері.

Потенціальні можливості використання безпосередньо сонячної енергії дуже великі. Якщо ми зможемо використовувати 0,0125% всієї цієї енергії, то людство було б повністю забезпечене енергією зараз, а використання 0,5% повністю б покрило всі потреби людства назавжди (якщо вважати, що населення Землі не перевищить 20 млрд.)

Нажаль, це лише потенційні можливості. Справа в тому, що навіть при найкращих погодних умовах енергетична густина сонячного потоку не перевищує 250 Вт/м2. Спробуємо порахувати: для того, щоб колектори "збирали" за рік таку кількість енергії їх потрібно розмістити на площі 130000 км2 !!! Окрім того, для створення такої великої кількості колекторів потрібно 1,3*109 тон алюмінію. Світовий запас алюмінію оцінюють якраз в таку цифру.

Зрозуміло, що існують різні фактори, що обмежують потужності сонячної енергетики. Окрім ціни та ресурсоємкості ще існує проблема площі. Наприклад, якщо у 2100 році людство повністю забезпечуватиме свої енергетичні потреби за рахунок Сонця, то площа колекторів повинна буде сягати 1-3 млн. км2. Також безпосереднє використання сонячного випромінювання потребує велику кількість праці: для виготовлення 1 МВт-року знадобиться від 10 до 40 тис. людино-годин. В той же час у традиційній енергетиці цей показник менший у 50-80 разів.

Отже, зараз ще годі і казати про масштабне використання сонячного проміння. Звісно, у курортних та віддалених від електромережі регіонах сонячні електростанції можуть бути необхідними, але загальна частка сонячної енергії надзвичайно мала. Та і навіщо будувати колектори, якщо в природі існують набагато більші і потужніші колектори: атмосфера та гідросфера?

Що таке сонячна енергетика і чи потрібна вона сьогодні Україні?

Сучасний розвиток світової економіки невід’ємно пов’язаний із зростанням темпів виробництва енергії. Це зумовлюється багатьма факторами: загальним збільшенням світового товаровиробництва, розвитком транспорту та телекомунікацій, розробкою віддалених родовищ корисних копалин, утилізацією відходів, ростом споживання енергії у побуті (опалення, освітлення, живлення побутової техніки), технічним переозброєнням армій тощо. Тому темпи зростання виробництва енергії перевищують нині темпи зростання населення землі. Зараз перед енергетикою стоїть багато проблем, і найбільш гостра - проблема її джерел. На сьогоднішній день 6 млрд. чоловік на Землі споживають більше 12 млрд. кВт енергії за рік, тобто у середньому 2 кВт на людину. Ця енергія отримується за рахунок вугілля - 26%, нафти - 42 %, газу - 20%, гідроенергії - 4%, ядерної - 5%, інших джерел - 3%. Тобто біля 90% енергії ми отримуємо за рахунок органічних видів палива - нафти, вугілля, газу. Ці джерела енергії ще називають невідновлюваними, бо швидкість їх нагромадження в надрах Землі набагато менша швидкості їх витрачання (приблизно у 106 разів).

Людству необхідно все більше й більше енергії, отримати яку за рахунок невідновлюваних джерел у недалекому майбутньому буде важко чи взагалі неможливо. Дійсно, за різними оцінками, розвіданого органічного палива вистачить на 30-50 років. Якщо врахувати так звані геологічні запаси, які будуть своєчасно розвідані, а експлуатація їх не затримується, то, з урахуванням все зростаючого рівня витрат енергії, органічного палива може вистачити ще років на 100-150. Причому тільки вугілля ще довгий час може зберігати своє місце в енергетичному балансі. Проте використання його супроводжується високим рівнем забруднення атмосфери Землі. Ядерна енергетика, яка на сьогодні має значно більше сировинних ресурсів ніж органічне паливо, динамічно розвивалась у світі протягом останніх 20-30 років. Але сьогодні, на думку багатьох фахівців, вона вже не може вважатися перспективним видом енергії через високий ризик радіоактивного забруднення навколишнього середовища, що проявилося в серії техногенних аварій та катастроф, особливо під час сумно відомої Чорнобильської катастрофи.

Тому у світі все більше звертають увагу на використання так званих відновлюваних джерел енергії - тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання, тощо. Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Серед зазначених джерел одним із найбільш перспективних є пряме перетворення сонячного випромінювання в електрику в напівпровідникових сонячних елементах.

Випромінювання з поверхні Сонця характеризується широким енергетичним спектром, що приблизно відповідає енергетичному спектру випромінювання “чорного тіла” при температурі 5800К. Максимум інтенсивності лежить у видимій області спектра (0.35-0.75 мкм), в якій зосереджена майже половина всієї енергії. Решта сонячного випромінювання розподіляється між ультрафіолетовою частиною спектра з довжиною хвиль меншою за 0.3 мкм (менша частина) і інфрачервоною з довжиною хвиль більшою 0.75 мкм (більша частина). Інтенсивність сонячного випромінювання біля атмосфери Землі дорівнює 1360 Вт/м2- величина відома як сонячна стала АМ0. При проходженні крізь атмосферу Землі інтенсивність сонячного випромінювання зменшується за рахунок його поглинання, розсіювання та відбивання при взаємодії з частинками пилу, з киснем, озоном, вуглекислим газом, парами води. При взаємодії з озоном та киснем поглинання сонячного випромінювання відбувається переважно в ультрафіолетовій частині спектру, водяна пара та вуглекислий газ поглинають переважно в інфрачервоній частині. Тому сонячне випромінювання, яке досягає земної поверхні, має меншу енергію, а його спектр змінюється.

Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, по-перше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим засобом одержання електроенергії на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

Основою напівпровідникового сонячного елементу є пластина напівпровідника з p-n переходом. Його робота їх заснована на явищі фотоефекту, відкритому ще в позаминулому столітті Г.Герцем та дослідженому О.Г.Столетовим. Теорію фотоефекту створив А.Ейнштейн у 1905 році, за що був відзначений Нобелівською премією. Суть ефекту полягає в тому, що кванти сонячного світла з енергією, більшою ніж ширина забороненої зони напівпровідника, поглинаються напівпровіднику і створюють пари носіїв струму: електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні. Для просторового розведення зарядів, а значить і виникнення електричного струму, необхідна наявність внутрішнього електричного поля у напівпровіднику. Таке поле існує в електронно - дірковому p-n переході, в контакті метал -напівпровідник, в контакті двох різних напівпровідників (гетеропереході).

рис.1 Схема сонячного елементу з p-n переходом та його вольт-амперна характеристика. Цифрою 1 показано омічні контакти до n- та p- областей.

На рис.1 схематично показано сонячний елемент з p-n переходом та напрям руху фотогенерованих носіїв заряду. Фотогенеровані в р-області електрони витягуються електричним полем в n-область, і, навпаки, фотогенеровані в n-області дірки витягуються електричним полем в р-область. На омічних контактах виникає різниця потенціалів, яка називається напругою холостого ходу Uxx. Якщо закоротити контакти, то через сонячний елемент потече струм короткого замикання Iкз. Для того, щоб елемент віддавав енергію в зовнішнє коло, до його контактів підꞌєднують навантаження, яке має електричний опір Rн. Тобто сонячний елемент виконує роль помпи, яка перекачує електрони в напрямку n-область - зовнішнє навантаження - р-область.

Оскільки вольт-амперна характеристика такого приладу проходить через четвертий квадрант (рис.1), то це значить, що прилад є джерелом струму. Слід відзначити, що на відміну від хімічних джерел світла напівпровідникові сонячні елементи не псуються при електричному замиканні контактів. При відповідному виборі опору навантаження енергія, що виробляється сонячним елементом, може досягати 80% від добутку UxxIкз. На рис. 1 показані також значення Uм та Iм – значення струму та напруги, для яких реалізується максимальна вихідна потужність Рм = UмIм. Коефіцієнт корисної дії ККД сонячного елементу визначається як відношення максимальної вихідної потужності Рм до потужності падаючого сонячного світла Р0: ККД= Рм/ Р0.

Чим більше фотонів сонячного світла поглинається сонячним елементом, тим більшим буде у нього струм Ікз. Це може бути досягнуто за рахунок використання напівпровідників з меншою шириною забороненої зони (тоді підвищується доля фотонів в сонячному випромінюванні, які мають енергію вищу ширини забороненої зони напівпровідника). З іншого боку, напруга Uxx визначаються висотою потенціального бар’єру в p-n переході і буде тим більша, чим більша ширина забороненої зони напівпровідника. Оскільки для отримання максимальної вихідної потужності сонячного елементу треба створити такий елемент, у якого будуть найбільшими не величини Uхх чи Iкз окремо, а добуток Рм = UмIм, та, враховуючи розподіл енергії в спектрі сонячного випромінювання, можна підібрати найкращий напівпровідниковий матеріал для створення ефективних сонячних елементів. Такий матеріал повинен мати ширину забороненої зони 1.3-1.5 еВ. Це, насамперед, арсенід галію, теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії сонячних елементів на ньому більше 31%. Проте найбільш широкого застосування набули сонячні елементи на основі більш дешевого ніж арсенід галію кремнію, хоча в нього ширина забороненої зони менша оптимальної (1.1 еВ), і тому теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії менша (до 29%).

Домінуюча позиція кремнієвої технології у промисловій сонячній енергетиці (90% світового виробництва сонячних елементів) визначає сучасні тенденції науково-технічного розвитку цієї галузі. Перевагами кремнієвої технології є достатня наявність кремнію у природі, його хімічна стабільність і відсутність будь-якого токсичного впливу на людей і навколишнє середовище, сумісність технології кремнієвих сонячних елементів і базових процесів мікроелектроніки. Ефективність промислових сонячних елементів на мульти - і монокристалічному кремнії вже досягла 14-18%, лабораторних зразків - 22-24%.

Чому ж ефективність сонячних елементів менша 100%? По-перше, не всі пари носіїв струму можуть бути розведені полем. Деякі з них можуть рекомбінувати (гинути) в результаті переходу збудженого електрона із зони провідності у валентну зону. По-друге, кванти світла з енергією меншою ширини забороненої зони, не поглинаються напівпровідником і не беруть участі у фотоелектричному процесі. По-третє, електрони і дірки, збуджені квантами світла з енергією, значно більшою ніж ширина забороненої зони, за дуже короткий час віддають надлишок енергії і опускаються до дна зони провідності (електрони) чи піднімаються до вершини валентної зони (дірки). Надлишкова енергія при цьому йде не на створення струму в зовнішньому колі, а на підвищення температури напівпровідника.

Яку ж електричну енергію можна отримати від сонячного елементу? Це визначається як умовами освітлення, так і характеристиками сонячного елементу. На рис.2 подано фотографію типового промислового сонячного елементу на монокристалічному кремнію розміром 100х100 мм2 та товщиною 280 мкм. При коефіцієнті корисної дії 14.5% в умовах стандартизованого освітлення потужністю 100 мВт/см2, сонячний спектр якого відповідає атмосферній масі 1.5 (положення Сонця під кутом 45о), такий елемент може подати на зовнішнє навантаження напругу 0.49В (Uxx=0.6В) та струм 3А (Ікз=3.3А), тобто виділити 1.45Вт потужності. Проте такий рівень освітлення існує лише на малих широтах влітку, у полудень при ясному небі. Тому при розрахунку електричної енергії від сонячного елементу треба знати кількість сонячної енергії, яка поступає протягом року в даній місцевості.

Фотографія лицевої поверхні кремнієвого сонячного елементу, який має форму “псевдоквадрату”. Струмозбираюча металева сітка покриває поверхню з кроком 2 мм, загальний струм протікає через 2 шини товщиною 2 мм.

Рис.2 Фотографія лицевої поверхні кремнієвого сонячного елементу

Вихідна потужність сонячного елементу може бути підвищена також за рахунок збільшення площі сонячного елементу (оскільки Ікз лінійно зростає з площею освітленого елементу), однак кремнієві елементи з більшою площею (150х150 чи 200х200 мм2) ще не так поширені ніж елементи 100х100 мм2.

Як видно, на відміну інтегральних схем та інших мініатюрних приладів сучасної мікроелектроніки, сонячні елементи характеризуються великою площею, що дозволяє отримувати великі струми (порядку одиниць ампера). Для зменшення можливих електричних втрат при проходженні такого великого струму лицева сторона елемента покривається електропровідною металевою плівкою. Її звичайно роблять у вигляді гребінки (рис.2) для того, щоб сонячне світло пройшло крізь металевий контакт без втрат та поглинулося у напівпровідниковому матеріалі. Для зменшення втрат сонячного світла на оптичне відбивання від поверхні напівпровідника n- область часто текстурують (наприклад, витравлюють спеціальні піраміди мікронних розмірів) та покривають антивідбиваючим шаром діелектрика. Тобто реально конструкція сонячного елементу більш складна, ніж та, що показана на рис.1.

Для практичного використання напівпровідникової сонячної енергетики для живлення навіть малогабаритної радіоапаратури одного сонячного елемента замало – у нього недостатня напруга за загальна вихідна потужність. Тому із окремих сонячних елементів збирають сонячні батареї (фотомодулі). Типова батарея номіналом 50 Вт складається із 36 послідовно з’єднаних сонячних елементів 100х100 мм2. Така батарея в робочій точці розвиває 17 В при струмі 3 А при освітленні 100 мВт/см2 (рис.3).

З’єднуючи такі фотомодулі, можна створювати електричні станції різної потужності, від декількох кіловатт до декількох мегаватт. На рис.4 дано принциповий вигляд установки для живлення побутової техніки в котеджі. Окрім сонячних батарей, які розміщують на фасаді чи на даху котеджу, до установки входить також ще два важливих прилади - хімічні акумулятори та регулятор - перетворювач. Вдень сонячні батареї живлять як електричні прилади, так і заряджують акумулятори. Вночі та в умовах недостатнього рівня освітлення джерелом живлення є виключно акумулятори. Регулятори-перетворювачі потрібні для автоматичного керування процесами зарядки-розрядки акумуляторів, перемикання навантаження сонячна батарея - акумулятор та для узгодження вихідної напруги батареї з номіналом апаратури.

Рис. 3 Сонячна батарея на 50 Вт. Параметри при освітленні 100 мВт/см2 із спектром АМ1.5: максимальна потужність - 50 Вт, струм при максимальній потужності -3.0А, напруга при максимальній потужності - 17 В. Вага 9 кг, розміри: 1060х485х60 мм3.

Оцінки показують, що навіть в умовах середніх широт для невеликого котеджу вистачить батареї з потужністю в 2 (3) кВт, яка може бути легко розміщена на даху, оскільки займає площу всього 20 (30) м2. Відомо, що в Україні середньорічні суми прямої та розсіяної сонячної радіації на горизонтальну поверхню змінюються від 1080 кВт.год/м2 (в районі Чернігова) до 1390 кВт.год/м2 (Євпаторія). Тоді в залежності від зони, така батарея вироблятиме за рік 2200-2800 (3300-4200) кВт.год електрики, що задовольнить енергетичні потреби (без врахування теплопостачання) сім’ї на 3-4 чоловіка.

Серед інших застосувань сонячної енергетики відзначимо: в системах телекомунікації та зв’язку (ретранслятори, телеметрія); для забезпечення електроенергією навігаційних вогнів, бакенів, дорожніх знаків, освітлення автошляхів в нічний час; для антикорозійного захисту металевих конструкцій та трубопроводів; у віддалених не електрифікованих оселях для живлення побутових приладів; в системах охоронної сигналізації; в сільському господарстві та засушливих районах для добування та подачі води; створення мережі автоматичних постів, обладнаних різними датчиками для моніторингу навколишнього середовища, тощо. Нарешті, в космічних апаратах та штучних супутниках сонячні батареї грають винятково важливу роль в системах живлення бортової апаратури.

На сьогоднішній день індустрія, яка пов’язана з виробництвом сонячних батарей, переживає неабиякий бум. Достатньо сказати, що у 2001 році в світі було виготовлено сонячних елементів загальної потужністю більше 150 МВт, що в перерахунку на кремнієві елементи розміром 100х100 мм2 та потужності 1.5 Вт означає виробництво в 100 млн. штук. На відміну від інших приладів мікроелектроніки, виробництво сонячних елементів у світі не тільки не скорочується, а характеризується щорічним 15% приростом протягом останніх 6 років. На наукові дослідження в області сонячної енергетики щорічно витрачаються сотні мільйонів доларів.

Єдине, що стримує ще більш широке поширення сонячної енергетики, це висока ціна енергії, яка отримується від сонячних елементів. Собівартість сонячної батареї потужності 1 Вт становить близько 2-3 доларів США, тому окупність енергії, що виробляється сонячними батареями, складає більше 20-30 років. Вартість 1кВт.год електроенергії, яка виробляється фотомодулями, сьогодні значно вища ніж для традиційної енергетики, але слід зауважити, що: по-перше, ця величина має тенденцію до зменшення для сонячної енергетики та до зростання для традиційної енергетики, а по-друге, сонячна енергетика може успішно конкурувати з традиційною в тих випадках, коли споживання енергії порівняно невелике, а підвести електроенергію від загальної електромережі дорого або зовсім неможливо. У цих випадках на перший план виступає не вартість електроенергії, а цінність або необхідність тих функцій, які здійснюються за рахунок електроенергії. Застосування сонячних батарей в наведених вище випадках (в засобах зв’язку, на транспорті, у побуті, сільському господарстві, для екологічного контролю) виправдано не стільки кількістю виробленої ними електроенергії, скільки появою нових можливостей, покращанням якості процесів, які вже використовуються. Ефект від застосування сонячних батарей в перерахованих напрямках і галузях підвищується, якщо використовуються економічніші споживачі енергії, спеціально розроблені для роботи з фотомодулями (лампи освітлення, холодильники, насоси, телевізори). Крім того, термін роботи сонячних елементів практично необмежений і може складати десятки років.

В розвинених країнах здійснюються потужні інвестиції в нові наукові розробки, головна мета яких - здешевлення сонячної енергії, іде формування нових ринків споживання. Досить згадати програму “Мільйон сонячних дахів” у США, “100 тисяч сонячних дахів” у Німеччині та Італії та інші. Уряди США, Японії та Західної Європи стимулюють споживання сонячної енергії населенням, в першу чергу, тому що ця енергія екологічно чиста і дозволяє економити обмежені ресурси органічного палива. Для цього виділяються без відсоткові довгострокові позики на покупку сонячних батарей, безкоштовно проводиться сервісне обслуговування цих установок.

А що робиться в галузі сонячної енергетики в Україні? Ми вже звикли, що в багатьох регіонах України вже стали нормою короткочасні відключення електрики чи погане освітлення вулиць наших міст і сіл. Сонячна енергетика могла б частково вирішити енергетичні проблеми України, особливо по енергопостачанню віддалених неелектрифікованих осель, а в умовах нестабільного електропостачання, відключення електроенергії такі установки забезпечували б безперебійне електропостачання. В сільському господарстві, особливо присадибному, тепличних виробництвах, сонячні батареї могли б забезпечувати подачу води за допомогою насосів та полив рослин, а в тваринництві у посушливих районах - подачу води для тварин. Системи сонячних батарей з хімічними акумуляторами є практично єдиними економічно придатними для живлення апаратури в умовах відсутності мережі центрального енергопостачання; в гірських районах Карпат та Криму, на польових станах, пасовиськах, тощо, тобто в умовах, коли створювати та використовувати мережу центрального енергопостачання нерентабельно чи небезпечно для здоров’я людини. Ця проблема не може бути розв’язана традиційним способом будівництва стаціонарної мережі внаслідок її дорожнечі. Крім того, фотобатареї зараз користуються великим попитом у світі і могли б експортуватись, особливо в південні країни третього світу.

Таким чином, застосування в Україні альтернативних джерел енергії, в першу чергу, сонячної енергетики, без сумніву дасть користь. З іншого боку, економіка України має відповідні потужності з виробництва необхідних компонентів та створення інфраструктури такої енергетики. Виробничі можливості тільки таких гігантів мікроелектроніки, як виробничі об’єднання «КВАЗАР», «ІРВА» (м. Київ), «Гравітон» (м. Чернівці), «Хартрон» (м. Харків), «Гамма» і «Електроавтоматика» (м. Запоріжжя), «Дніпро» (м. Херсон), «Позитрон» (м. Івано-Франківськ) дозволяють проводити повний технологічний цикл створення сонячних елементів. Україна має висококваліфікований науковий потенціал в цій галузі (Інститут фізики напівпровідників та Інститут електродинаміки НАНУ, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Чернівецький національний університет ім. Ю.Федьковича, Національний технічний університет “КПІ”).

Залишилось дочекатися розуміння необхідності реальної державної підтримки сонячної енергетики з боку владних структур. Інакше в недалекому майбутньому разом з іноземними автомобілями, технікою та ширпотребним мотлохом в Україну почнуть потоком завозити і заморські сонячні батареї.

Поєднана з мережею система

Коли є мережу централізованого електропостачання, але є бажання мати електроенергію від чистого джерела (сонця), сонячні панелі можуть бути з'єднані з мережею. За умови підключення достатньої кількості фотоелектричних модулів, певна частина навантаження в будинку може живитися від сонячної електрики. Сполучені з мережею фотоелектричні системи зазвичай складаються з одного або багатьох модулів, інвертора, кабелів, що підтримує структури і електричного навантаження.

1. Сонячні панелі.  2. Інвертор. 3.Мережа. 4. Навантаження

Резервна система

Резервні сонячні системи використовуються там, де є з'єднання з мережею централізованого електропостачання, але мережа ненадійна. Резервні системи можуть використовуватися для електропостачання в періоди, коли немає напруги в мережі. Малі резервні сонячні системи електропостачання найбільш важливою навантаження - освітлення, комп'ютер та засоби зв'язку (телефон, радіо, факс тощо). Більш великі системи можуть також забезпечувати енергією і холодильник під час відключення мережі. Чим більша потужність, необхідна для харчування відповідального навантаження, і чим довше періоди відключення мережі, тим більша потужність фотоелектричної системи необхідна.

1.Сонячні панелі.  2. Контролер заряду акумуляторних батарей + інвертор.  3. Акумуляторні батареї.  4. Навантаження

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Енергія вітру.

Енергія повітряних мас, що постійно рухаються, у сотні разів перевищує запаси гідроенергії усіх річок планети. Всюди і постійно на землі дмуть вітри: від легкого вітерця до могутніх ураганів. Ці вітри могли б повністю задовольнити потреби людства. Але частка вітряних електростанцій становить лише 0,1%. Чому ж тоді такий доступний та екологічно чистий спосіб видобутку енергії так слабо використовується?

Людство використовує енергію вітру більш ніж 5 тис. років. Спочатку вітер використовувався для того, щоб приводити у рух човни, потім - щоб молоти зерно та підіймати воду. Зараз вітер використовується для видобутку електроенергії. Хоча зараз ціна 1 Квт-години видобутої з енергії вітру порівняно невисока - 4 центи - але всі проекти по будівництву нових вітряків зазвичай дуже повільно окуповують себе. Найбільш вдалим можна вважати проект будівництва вітряків на Гавайському острові Охіо: гігантські вітряки, з діаметром ротору 122 м. зараз виробляють понад 6200 КВт кожен, при швидкості вітру 47 км/год. Скоріш за все постійне зростання цін на паливні ресурси зробить такі проекти ще більш рентабельними, а згодом і зросте частка "вітрової" електроенергії.

З усіляких пристроїв, що перетворять енергію вітру в механічну роботу, у переважній більшості випадків використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, установлюваним по напрямку вітру. Набагато рідше застосовуються пристрої з вертикальним валом.

Турбіни з горизонтальною віссю і високим коефіцієнтом швидкохідности мають найбільше значення коефіцієнта використання енергії вітру (0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але мають ту перевагу, що не вимагають настроювання на напрямок вітру.

Вітрове колесо, розміщене у вільному потоці повітря, може в кращому випадку теоретично перетворити в потужність на його валу 16/27=0,59 (закон Беца) потужність потоку повітря, що проходить через площу перетину, яке захоплюється вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним ККД ідеального вітрового колеса. У дійсності ККД нижче і досягає для кращих вітрових коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопасті 10 м при швидкості вітру 10 м/с може мати потужність на валу в кращому випадку 85 кВт.

Сьогодні запропоновано безліч варіантів механізмів для переробки вітру в електричну енергію. Основним його елементом є вітроколесо. За принципом роботи та схемою будови вітроколеса вітрові електростанції поділяються на 3 класи:

1.Крильчасті (пропелерні) — мають вітроколесо з лопатями, розташованими перпендикулярно до валу;

2.Карусельні або роторні;

3.Барабанні.

В карусельних та барабанних вал вітроколеса встановлюється вертикально. Воно обертається під дією вітру на лопаті, розташованій з одного боку осі колеса, у той час як інші лопаті прикриваються ширмою або повертаються з допомогою спеціального пристрою ребром до вітру. Ці обидва класи є громіздкими і менш ефективними порівняно з крильчастими. Виходячи з цього, вся сучасна вітроенергетика базується в основному на крильчастих типах вітродвигунів. Пропелерні вітродвигуни досконалі, відносно мало матеріалоємні, забезпечують досить високий коефіцієнт використання енергії вітру.

Слід враховувати, що при розташуванні поруч кількох вітряків вони мають розташовуватися не ближче ніж за три висоти один від одного аби не перехоплювати «чужий» вітер.

Загальний опис крильчастої вітрової електростанції

Вітроколесо установки закріплюється на горизонтальному валі, що обертається в двох підшипниках, змонтованих у головці вітродвигуна. Обертання вітроколеса передається електрогенераторові через дві циліндричні шестерні. Голівка вітродвигуна монтується на башті, висота якої визначається з розрахунком виносу вітроколеса вище від усіх оточуючих перешкод, що можуть впливати на потоки повітря. Вона може обертатися навколо вертикальної осі. Позаду голівки закріплюється хвіст для встановлення вітроколеса на вітер. Потужність вітродвигуна без регулюючого пристрою збільшується або зменшується пропорційно до кубу швидкості вітру, наслідком чого є нерівномірність роботи електрогенератора. Щоб усунути цю ваду у вітродвигуні застосовано автоматичне регулювання швидкості обертання електрогенератора. Напруга, яка знімається з електрогенератора, стабілізується в стабілізаторі напруги. Через це вихідна напруга залишається сталою, вона коливається від 210 В до 230 В і не залежить від швидкості вітру.

Недоліки вітроелектростанцій

Вітер дує майже завжди нерівномірно. Отже генератор буде працювати нерівномірно, віддаючи то більшу то меншу потужність, струм буде вироблятися перемінної потужності, а то й цілком припиниться, і можливо, саме тоді, коли потреба в ньому буде найбільшою. Будь-який вітроагрегат працює на максимальній потужності лише певний час, а в інші години він або працює не на повну потужності або взагалі простоює. Значну невідповідність між номінальною і середньою потужностями вітроелектростанцій підтверджує наступний факт: у Нідерландах на частку вітрових електростанцій на початку 90-х років 20 ст. припадало 0,11 % усіх встановлених потужностей, але лише 0,02 % виробленої електроенергії.

Для вирівнювання віддачі струму застосовують акумулятори, але це як уже відзначалося, і дорого, і мало ефективно.

Відповідно вітрові електростанції не можуть самі по собі бути надійною основою енергетики. Вони або доповнюють основні потужності роблячи певний внесок у виробництво необхідної електроенергії, або ж є джерелом електрики у віддалених чи ізольованих місцях де складно чи неможливо забезпечити постачання електроенергії іншим чином.

Також через невисоку потужність вітряків, вітроелектростанції вимагають значних територій для розміщення вітрових установок.

Робота вітроелектростанцій впливає на роботу телевізійної мережі, виникають викривлення сигналу. Іншою несподіваною особливістю установок виявилася в тому, що вони начебто стали джерелами досить інтенсивного інфразвукового шуму, який негативно впливає не тільки на людський, але й на організм тварин. Тобто території поблизу вітрових електростанцій є непридатними для життя людей, тварин і птахів. Але це ще повністю не доведено й суперечки з цього приводу точаться до цих пір.

Вітрові електростанції у світі

Протягом останнього десятиліття в світовій енергетиці безперечну першість за темпами розвитку незмінно утримує саме вітроенергетика. Темпи приросту сумарної потужності ВЕС протягом останніх років коливаються у межах 20 — 30 відсотків щороку. Лідерами у цій справі є США, що планують до 2010 року довести сумарну потужність своїх ВЕС до 16000 МВт. Німеччина за той же період планує довести цей показник до 13000 МВт. А Данія планує покрити власні потреби в електроенергії за рахунок вітроенергетики рівно наполовину.

Вітроенергетичний потенціал України

Україна має досить високий кліматичний потенціал вітрової енергії, який забезпечує продуктивну роботу не лише автономних вузлів живлення, але й потужних вітроелектростанцій. Зростає необхідність у виявленні найперспективніших місць використання вітрової енергії, базуючись на її кліматичному потенціалі та показниках його можливої утилізації.

Районування

Районування території України за потенціалом вітрової енергії проводилось на основі кліматичного узагальнення цих показників. Вибір здійснювався за принципом їх показовості як характеристик багаторічного режиму вітрової енергії та її просторово-часової структури. Для районування території застосовано комплекс показників:

• середня річна швидкість вітру (дає загальне уявлення про кліматичний вітроенергетичний потенціал будь-якого району) та її мінливість;
• питома потужність та сумарні потенційні вітроенергоресурси і утилізована вітрова енергія;
• тривалість енергоактивної швидкості вітру та енергетичного штилю;
• безперервна тривалість робочої швидкості (як критерій стабільності функціонування вітроагрегатів).

Отже, комплекс показників вітрової енергії дозволяє оцінити енергетичні можливості кожного району та розробити рекомендації щодо її раціонального використання.

Найвищим вітроенергетичним потенціалом відзначаються узбережжя Чорного та Азовського морів, Південний берег Криму, вершини Українських Карпат, Кримських гір, також область Донбасу.

Умови вітровикористання оптимальні протягом усього року. Будівництво вітроелектростанцій треба розгортати у цих регіонах, враховуючи значний дефіцит власних генеруючих потужностей. Можливе ефективне розміщення як потужних вітроелектростанцій, так і автономних вітроенергоустанов. Слід надавати перевагу будівництву вітроелектростанцій на прилеглих водних акваторіях, що мають особливо високий вітроенергетичний потенціал.

• Високий потенціал вітрової енергії властивий району Донецької височини, Приазовської та Причорноморської низовин. Тут протягом року сприятливі умови для вітровикористання та ефективної роботи потужних вітроелектростанцій та автономних вітроенергоустанов.

• Достатнім вітроенергетичним потенціалом відзначаються також Подільська та Придніпровська височини. Умови вітровикористання досить сприятливі, особливо у холодний період року.
• Поліська та Придніпровська низовини характеризуються невисоким вітровим потенціалом та нерівномірним його розподілом протягом року. Умови вітровикористання менш сприятливі, рекомендується розміщення тихохідних вітроенергоустав, рентабельність яких підвищуватиметься у холодний період року.
• Передкарпаття, Закарпаття та вузькі захищені долини Українських Карпат та Кримських гір відзначаються низьким вітровим потенціалом. Умови
• вітровикористання несприятливі, за винятком окремих місць, які значно домінують над навколишньою місцевістю.

ІІ.3. Розрахунки щодо використання альтернативних джерел енергії для потреб школи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальна хмарність, (бали)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• 0 балів - ясно.
• Менше 5 балів нижнього ярусу, або хмар середнього ярусу, що просвічують, або будь-яка кількість хмар верхнього ярусу - невелика хмарність.
• Від 1-3 до 6-9 балів або 3-8 балів хмар нижнього ярусу або щільних хмар середнього ярусу - мінлива хмарність.
• Від 8-10 до 0-3 балів хмар нижнього ярусу - хмарно з проясненнями.
• 7-10 балів хмар нижнього ярусу - хмарно.
• 10 балів хмар нижнього ярусу - похмуро.
•  

Максимуми сонячної активності

• 1917 р
• 1928 р
• 1937 р
• 1947 р
• 1957 – 1958 рр
• 1968 - 1969 рр
• 1979 - 1980 рр
• 1989 - 1990 рр
• 2000 р

• ≈ 2012-2013 рр

 

Повторюваність вітру різних напрямків, (%)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найбільша швидкість вітру – у лютому, найменша – у червні та липні. У січні вона в середньому становить 4,8 м/с, у липні – 3,5 м/с.

Швидкість вітру по місяцях, (м/с)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальна кількість витрати електроенергії в НВО “Грузька неповна сш -дз” становить ≈1400 (Квт) у місяць.

Тож (1400Квт/ 31дні)/24годин=1,8817204301 (КВт/год)

То нам необхідна сонячна батарея потужністю ≈ 2 (КВт/год) - це типу MSP-180W, яка коштує  15000 у.е.(15000*8,06= 120900 грн.) (гарантія 50-60 років)

І яка окупиться ≈ за 8 років з урахуванням того,  що в літні місяці ми самі зможемо продавати електроенергію, так як у нас її буде надлишок.

Аналогічними розрахунками  ми можемо скористатись і для розрахунку встановлення вітрогененератора.

То нам необхідна вітрогенератор на 2 КВт. Який після аналогічних обчислень буде коштувати 15670 у.е. (15670*8,06= 126300,2 грн.) ( гарантія 20-25 років).

 І який окупиться ≈ за 8 років з урахуванням того,  що сила вітру, який дме буде становити не менше 2,5 (м/с) і не більше 10 (м/с). То ми також  зможемо торгувати електроенергією.

 

 

 

 

ІІІ. Висновок

• Вирішуючи задачу зменшення впливу на навколишнє середовище традиційних методів одержання енергії,  наука і виробництво вивчають можливості отримання енергії за рахунок альтернативних ресурсів, таких, як енергія вітру, сонця, геотермальна і енергія хвиль та інших джерел, які відносяться до невичерпних й екологічно чистим.
• Україна має великий потенціал енергоресурсів (вугілля, гідроенергія, енергія сонця, вітру та біогазу).
• У той же час, населення не забезпечено енергією, що веде до знищення лісів і негативно позначається на екології регіону.
• Наявний потенціал альтернативних джерел в країні залишається не затребуваним.
• Незважаючи на високу вартість, пристрої альтернативної енергетики можуть окупатися і приносити екологічні, соціальні та економічні вигоди. Для ефективного застосування цих пристроїв потрібні дослідження і передача технологій .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаних джерел

 

1 - http://www.vepr.ru/show.html?id=7

2 - www.diggreader.ru/.../07august/dark-matter.jpg

3 – www.ust-razvitie.narod.ru/pict/Energy_8.jpg

4- http://www.rusnauka.com/2._SND_2007/Tecnic/19334.doc.htm   

5- http://www.zn.ua/2000/2229/56550/   

6- http://www.altenergy.narod.ru/ 

7- http://www.solarhome.ru/ru/biblio/solar/free_energy.htm

8 - http://www.energy-exhibition.com/Exhibition/Tema_pav1/netrad_ie.php

9- http://www.technopark.by/iccee/resources/

10-  http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/kosmos-perspektivnyi-istochnik-energii

11 - http://www.media.ukr-info.net/smi/view_article.cgi?sid=12&nid=2459&aid=28629

12 - http://www.wildfield.ru/caei/tetrad/03.htm

13 - http://www.trinitas.ru/rus/doc/0230/003a/02300036.htm

14- http://wavenews.ru/?p=56#more-56

15 - http://www.solarhome.ru/ru/biblio/solar/popel2.htm  

16 - http://lightpark.ru/article/2007/11/pay_dirt.shtml 

16 - http://ecoclub.nsu.ru/altenergy/common/common1.shtm

17 - http://www.skif.biz/index.php?name=Pages&op=page&pid=19 

18 - http://tayni.nm.ru/Stat/prib_dr_egipte.htm  

19 - http://ntpo.com/invention/invention2.shtml 

20 - http://www.agro-consult.ru/dok_mitin.htm  

21. http://vitrogenerator.green-home.kiev.ua/