Енергодарський багатопрофільний ліцей

 

 

 

 

 

 

 

Альтернативні джерела енергії – енергія ХХІ соліття

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ЕНЕРГІЯ ВІТРУ

РОЗДІЛ 2. БІОЕНЕРГЕТИКА

РОЗДІЛ 3. ГІДРОЕНЕРГЕТИКА

ПІДРОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСИКА

ПІДРОЗДІЛ 2. ЕНЕРГІЯ МОРІВ І ОКЕАНІВ

ПІДРОЗДІЛ 3. «СОЛОНА ЕНЕРГІЯ»

РОЗДІЛ 4. КОСМІЧНА ЕНЕРГЕТИКА

РОЗДІЛ 5. ГЕОТЕРМОЕНЕРГЕТИКА

РОЗДІЛ 6. ГЕЛІОЕНЕРГЕТИКА

ВИСНОВОК

Використана література

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

В теперішній час я спостерігаю значний інтерес вчених різних країн до дослідження та використання альтернативних джерел енергії. Насамперед це пов’язано з великою необхідністю охорони навколишнього середовища.

Рушійною силою цього процесу являються виникаючі зміни в енергетичній політиці країн із структурою перебудови паливно-енергетичного комплексу, пов’язаною з екологічним станом, який виникає в наш час як перехід на енергозберігаючі та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, так і в промисловості тажитловому комплексі

Глобальні процеси в сучасному світі, зростання світового промислового виробництва, призводять до значного збільшення споживання енергоресурсів і, як наслідок, - нанесення суттєвої екологічної шкоди світовому довкіллю. В останні роки ця проблема всебільше хвилює  мене та всю світову спільноту, оскільки нам для життя необхідне максимально чисте навколишнє середовище. Тому,  в даний момент є підстави вважати  екологічні проблеми одними з найважливіших для забезпечення майбутнього сталого розвитку людства, саме ці проблеми несуть найбільшу загрозу для світової спільноти. 

Людина, безумовно, впливає на навколишню його середовище, однак у природі існують природні механізми, що врівноважують, що підтримують середовище і спільноти, що живуть у ній, у стані рівноваги, коли всі зміни відбуваються досить повільно. Проте в багатьох випадках господарська діяльність людини порушує рівновагу, підтримувану цими механізмами, що призводить до швидких змін умов навколишнього середовища, з якими ні людина, ні природа не можуть успішно справитися. Традиційне виробництво енергії, що дає величезні кількості забруднювачів води і повітря, - один з видів такої діяльності людини.

Україна не залишилась на узбіччі сучасних процесів в енергетиці. Наразі, в нашій країні також з кожним роком набирає обертів процес використання альтернативних видів енергії. І хоча процес розвитку відновлювальних джерел енергії відбувається достатньо повільно, не все в цьому питанні безнадійно.

Зараз Україна задовольняє свої потреби в паливно-енергетичних ресурсах за рахунок власного видобутку менша ніж на 50%, а залишок становить імпорт. На додаток, неухильне скорочення світових запасів викопних палив і їх постійне подорожання перетворює енергозабезпечення України в одну з найважливіших загальнодержавних проблем. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є включення альтернативних джерел енергії в паливний баланс країни. Альтернативні джерела енергії — будь-яке джерело енергії, яке є альтернативою викопному паливу. Це поновлювані джерела, до яких відносять енергію сонячного випромінювання, вітру, морів, річок, біомаси, теплоти Землі, та вторинні енергетичні ресурси, які існують постійно або виникають періодично у довкіллі. За останнє десятиліття інтерес до цих джерел енергії постійно зростає, оскільки в багатьох відносинах вони необмежені.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема 1. Різновиди альтернативних джерел енергії

 

Кожен з варіантів має суттєві відмінності в матеріально-технічній базі його забезпечення, свої переваги та недоліки. Яким шляхом буде рухатися далі людство – відповідь на це питання має дати кропітка робота пов’язана з науковими дослідженнями, глибокими, переконливими обґрунтуваннями, на основі яких може бути прийняте свідоме й обґрунтоване рішення. Але останнім часом, весь цивілізований світ схиляється до того, щоб розвивати екологічно чисту  альтернативну енергетику. Таким чином, ми є свідками революції в енергетиці, коли глобально і потужно набирає обертів використання людством альтернативних видів енергії для забезпечення своєї життєдіяльності.  Отже, розповім про найважливіші та найперспективніші альтернативні джерела енергії більш розгорнуто.

РОЗДІЛ 1. ЕНЕРГІЯ ВІТРУ

 

Використання будь-якого виду енергії і виробництво електроенергії супроводжується утворенням багатьох забруднювачів води і повітря. Перелік таких забруднювачів на диво довгий, а їхні кількості надзвичайно величезні.

Людина вже давно приручила вітер. За допомогою вітрил і погожого вітру морські судна діставалися наміченої точки Земної кулі. Енергію вітру використовували у вітряках з різною метою: для переробки лісу, як млинарський механізм, як помпу для перекачування води і нафти. Тепер же настав час вітроелектростанцій. Енергія вітру, як і сонячна, — це поновлюваний вид енергії. Тому вона вважається більш екологічною, доступною  і невичерпною. Вітроенергетика є способом отримання електричної енергії за допомогою вітру. Засоби отримання енергії вітру - вітротурбіни (вітрогенератори, вітрові установки), які об'єднують у так звані вітроелектростанції (ВЕС). Вітроенергетика - галузь відновної енергетики, яка спеціалізується на використанні кінетичної енергії вітру. Це один з тих способів використання енергії навколишнього середовища, що був відомий з давніх часів.

Джерело вітроенергетики - Сонце, оскільки саме його активність спричинює утворення вітру. Атмосфера Землі вбирає сонячну радіацію нерівномірно через неоднорідність ії поверхні та різний кут падіння світла у різних широтах у різні пори року. Повітря розширюється та підіймається угору, утворюючи потоки. Там, де повітря нагрівається більше, ці потоки піднімаються вище і зосереджуються у зонах низького тиску, а холодніше повітря залишається нижче, створюючи зони високого тиску. Різниця атмосферного тиску змушує повітря пересуватися від зони високого тиску до зони низького тиску з пропорційною швидкістю. Цей рух повітря ми і називаємо вітром.

Останніми роками вітер все ширше використовується для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужності і встановлюються на місцевості із частими й сильними вітрами.

Вітер є стихією потужною і практично всюдисущою. Проте вона має і недоліки, що завадило їй поширитися як основне джерело забезпечення. Енергетичний потенціал вітру пропорційний кубу його швидкості, а території зі значною середньою швидкістю вітру, тобто 5 м/с і вище, що забезпечує економічність роботи вітроустановок, часто віддалені від місць споживання енергії. Найбільшу енергію мають ураганні вітри, однак ця енергія не може бути утилізована, до того ж урагани є головними руйнівниками вітроустановок.

Звичайно, можливості використання цього виду енергії у різних регіонах Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітрових двигунів швидкість вітру не повинна падати у середньому за рік нижче за 4-5 м/с, а краще, коли вона становить 6-8 м/с Проте для цих установок шкідливими є і надто великі швидкості вітру (урагани), які можуть їх зруйнувати. Найбільш сприятливими регіонами для використання вітрової енергії є узбережжя морів і океанів, степи, тундра, гірські райони.

Вітроенергетика сьогодні перестала бути фантастикою і зростає найшвидшими темпами серед усіх інших альтернативних джерел енергії. Вітер є незвичайним енергоносієм, невичерпним, але при цьому має безліч складних і слабопередбачуваних фізичних параметрів для кожного окремо взятого географічного регіону. Тобто окрім середньорічної і максимальної швидкостей, слід враховувати такі показники внутрішньої структури повітряного потоку, як "троянда вітрів", поривчастість, щільність повітря, турбулентність, температура і різновекторні течії по висоті.

З усіх пристроїв, що перетворюють енергію вітру на механічну роботу, у переважній більшості використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, установленим за напрямком вітру, набагато рідше - пристрої з вертикальним валом. Турбіни з горизонтальною віссю і високим коефіцієнтом швидкохідності мають найбільше значення коефіцієнта використання енергії вітру (0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але не вимагають налаштування на напрямок вітру. Сьогодні запропоновано безліч варіантів механізмів для

Вітрогенератор (вітрова турбіна) - це пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну. Також вітрогенератори можна умовно поділити на дві категорії: промислові і домашні (для приватного використання). Промислові встановлюються державними органами або великими енергетичними компаніями. Як правило, їх об'єднують у мережу утворюючи в результаті справжні електростанції.

Будова вітрогенератора (вітрової турбіни) наведена на рис.2, крім того він може містити систему пожежегасіння, телекомунікаційну систему для передачі даних про свою роботу, а також систему захисту від блискавки.

 

 

Рисунок 2. Будова вітрогенератора: 1 - фундамент; 2 - силова шафа, що включає силові контактори і ланцюги керування; 3 - вежа; 4 - сходи; 5 - поворотний механізм; 6 - гондола; 7 - електричний генератор; 8 - система спостереження за напрямком і швидкістю вітру (анемометр); 9 - гальмова система; 10 - трансмісія; 11 - лопаті; 12 - система зміни куту атаки; 13 - ковпак ротора

 

Система з вітроенергетичних установок і є вітровою електростанцією. Малі вітряки можуть повністю забезпечувати електроенергією один або декілька будинків, невеликі промислові об'єкти. Такі установки здатні працювати при середній швидкості вітру від 4 м/с, і ціни на них невпинно знижуються. Індустрія домашніх вітряків активно розвивається. Як правило, для невеликого котеджу достатньо вітряка номінальною потужністю 1 кВт, при швидкості вітру 9 м/с. Якщо місцевість не вітряна, то його можна доповнити сонячними батареями - ці джерела енергії можуть доповнювати одне одного.

Водночас система вітроенергетичних установок має і недоліки, оскільки вітрогенератори:

1. створюють високий рівень шуму;
2. потребують відведення значних земельних площ: вітроагрегати близько один до одного розміщувати не можна, тому що вони перешкоджатимуть один одному в роботі - мінімальний проміжок між вітряками повинен бути не менше за їх потрійну висоту;
3. потребують значних затрат матеріалів;
4. можуть заважати прийому сигналів телепередач на відстані до 1,6 км, оскільки частота обертання лопатей синхронна з частотою передавання телесигналів (використання лопатей зі скловолокна дасть змогу зменшити цю відстань приблизно вдвічі);
5. розполохують птахів і звірів порушуючи їх природний спосіб життя;
6. можуть бути причиною смерті птахів, які часто потрапляють у лопоті вітрогенератора;
7. побутує думка, що вітроустановки є джерелами досить інтенсивного інфразвукового шуму: вітродвигуни генерують нечутні для вуха коливання з частотами нижче за 16 Гц;
8. завдає збитків довкіллю виготовлення акумуляторних батарей вітрогенератора;
9. встановлення більшої кількості ліній передач електроенергії від численних вітрогенераторів теж шкодить навколишньому середовищу;
10. подача електроенергії внаслідок не прогнозовано нерівномірної роботи вітрогенератора нерівномірна.

Отже, ВЕС самі по собі не можуть 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, наприклад, на крижинах в зимівників або у інших місцях, де є проблеми з постачанням енергії, а потреби в ній невеликі. Але з погляду екології і здорового глузду використовувати їх для розвитку великої енергетики зовсім нереально ні зараз, ні у найближчому майбутньому. Звичайно, з таким висновком можна не погоджуватися. Однак, вітроенергетика має досить хороші перспективи. Вартість електрики, виробленої вітрогенераторами, стала нижчою за вартість електроенергії, що одержують традиційними способами. Наприклад, Данія в 2009 році за допомогою вітру одержала 20% від усієї енергії країни. Це стало гарним стимулом для низки країн: Португалії, Іспанії, Німеччини, Китаю. Європейський Союз до 2020 року планує за допомогою енергії вітру виробити 180 тис. МВт електрики.

 

Рисунок 1. Енергія вітру: Новоазовська ВЕС, Донецька область, Україна

 

В Україні поки що слабко розвинена галузь переробки енергії вітру. Сьогодні на території нашої країни встановлено близько 500 турбін загальною потужністю приблизно 50 МВт. Але досвід будівництва та експлуатації сучасних вітрових енергостанцій (Київ, Дніпропетровськ) та наявність широкого асортименту побутових вітрогенераторів на вітчизняному ринку свідчить, що найближчим часом ситуація може змінитися на краще. 

РОЗДІЛ 2. БІОЕНЕРГЕТИКА

 

Біоенергетика — галузь електроенергетики, заснована на використанні біопалива, яке створюється на основі використання біомаси. До біомаси відносять усю рослинну і вироблену тваринами субстанцію. При використанні біомаси в енергетичних цілях для виробництва тепла, електроенергії і палива, розрізняють енергетичні рослини і органічні відходи.

 Енергетичними рослинами вважаються:

1. швидко зростаючі сорти дерев і спеціальні однорічні рослини з високим вмістом сухої маси для використання як твердого палива;
2. цукро- та крохмалевмісні польові культури для переробки в етанол, а так само маслянисті культури для виробництва біодизеля для застосування як рідкого палива;
3. польові культури, придатні для силирування і використання у виробництві біогазу.

 До органічних відходів відносяться відходи, що виникають в сільському, лісовому, домашньому господарстві і промисловості: відходи деревообробки, солома, трава, листя, гній, шлам, органічні відходи домашнього господарства і т. д.  До біогенного твердого палива відносяться усі не викопні види палива органічного походження, які до моменту їх використання знаходяться в твердому стані, як наприклад: деревина усіх видів і у будь-якій формі, солома, макуха, зерно, кукурудза, злаки, цукровий буряк, рапс, рослинні олії, біологічні відходи, экскріменти, водорості і т. д.

 Виробництво електроенергії і тепла з твердої біомаси на сьогодні здійснюється в основному шляхом спалювання в твердопаливних котлах, з отриманням пари високого тиску. Цей процес здійснюється за допомогою біомасових енергетичних установок. Розрізняють відповідно:

1. біомасові котельні — установки що виробляють тільки тепло;
2. біомасові теплоелектроцентралі (Біо-ТЕЦ) — виробляють разом з теплом ще і електрику.

Щорічно приріст біомаси у світі оцінюється в 200 млрд т (в перерахунку на суху речовину), що енергетично еквівалентно 80 млрд т нафти. Одним із джерел біомаси є ліси. При переробці ділової деревини 3-4 млрд т складають відходи, енергетичний еквівалент яких становить 1,1-1,2 млрд т нафти. Світова потреба в енергії становить тільки 12% енергії щорічного світового приросту біомаси. Частка і кількість біомаси, використовуваної для одержання енергії, постійно знижується, що можна пояснити порівняно низькою теплотою згоряння біомаси, унаслідок високого вмісту в ній води.

Ефективним поновлюваним джерелом енергії є біомаса . Ресурси біомаси в різних видах є майже у всіх регіонах, і майже в кожному з них може бути налагоджена її переробка в енергію і паливо. На сучасному рівні за рахунок біомаси можна перекрити 6-10% від загальної кількості енергетичних потреб промислово розвинених країн. Використання біомаси проводиться в наступних напрямках: пряме спалювання, газифікація, виробництво етилового спирту для отримання моторного палива, виробництво біогазу з сільськогосподарських і побутових відходів. Біомаса, головним чином у формі деревного палива, є основним джерелом енергії приблизно для 2 млрд. чоловік. Для більшості жителів сільських районів "третього світу" вона являє собою єдино доступне джерело енергії. Біомаса, як джерело енергії , грає найважливішу роль і в розвинених країнах. В цілому біомаса дає сьому частину світового обсягу палива , а за кількістю отриманої енергії займає поряд із природним газом третє місце. З біомаси одержують у 4 рази більше енергії, ніж дає ядерна енергетика.

 У зв'язку з необхідністю різкого зменшення шкідливого впливу автотранспорту на навколишнє середовище було звернуто увагу на використання в цій сфері біомаси. Тут намітився ряд напрямів щодо заміни екологічно небезпечного бензину на екологічно чисте паливо.

 В Україні проблема заміни бензину спиртом поки не розглядалася. Вивчається можливість вирощування ріпаку в районах, заражених радіоактивними елементами з метою отримання ріпакової олії, використання його як палива в дизельних двигунах. Ця ідея в даний час розробляється фахівцями України та Німеччини. У нетрадиційній енергетиці особливе місце займає переробка біомаси  метановим бродінням з отриманням біогаза, що містить близько 70 % метану, і знезаражених органічних добрив. Надзвичайно важлива утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива і безупинно зростає потреба у високоякісних добривах. Всього у світі в даний час використовується або розробляється близько 60 різновидів біогазових технологій.

Біогаз - це суміш метану і вуглекислого газу , що утворюється в спеціальних реакторах - метантенках , влаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, що отримується при спалюванні біогазу може сягати від 60 до 90 % тієї , якою володіє вихідний матеріал . Однак біогаз отримують з рідкої маси, що містить 95 % води, так що на практиці вихід досить важко визначити. Інше, і дуже важливе, переваги  процесу переробки біомаси полягає в тому, що в його відходах міститься значно менше хвороботворних мікроорганізмів , ніж у вихідному матеріалі. Отримання біогазу економічно виправдано і є кращим при переробці постійного потоку відходів (стоки тваринницьких ферм, боєнь, рослинних відходів і т. д.). Економічність полягає в тому, що немає потреби в попередньому зборі відходів, в організації та управлінні їх подачею; при цьому відомо, скільки і коли буде отримано відходів. Отримання біогазу, можливе в установках самих різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу. Біогаз використовують для освітлення, опалення, приготування їжі, для приведення в дію механізмів, транспорту, електрогенераторів.

РОЗДІЛ 3. ГІДРОЕНЕРГЕТИКА

 

ПІДРОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСИКА

 

Гідроенергетика — галузь відновлюваної енергетики, що спеціалізується на використанні енергії від течії води.

Енергія води, як і енергія вітру, використовується людьми здавна як джерело механічної енергії, а починаючи з ХХ ст. і як джерело електроенергії. У світі побудована велика кількість гідроелектростанцій, які виробляють до 5% від загальної електроенергії, причому в деяких країнах частка електрики, виробленої на гідроелектростанціях, значно вища. В Україні, на Дніпрі, побудовано каскад з 6 гідроелектростанцій. Слід зазначити, що в останні роки будівництво гідроелектростанцій у світі значно скорочено внаслідок відсутності сприятливих умов.

Гідроелектрика — електрика, отримана за допомогою води. При звичайній гідроелектричній схемі вода накопичується в резервуарі, що часто створюється перегородженням ріки дамбою. Вода з резервуару подається на турбіни, з'єднані з електричним генератором. У насосних електростанціях вода, що проходить через турбіни, подається туди по циклу знову. У приливних електростанціях використовується енергія води, що піднімається й опускається в результаті припливів. Одна п'ята частина електроенергії, що виробляється у світі — гідроелектрична.

Побудова Дніпрогесу свого часу створила енергетичну базу для важкої промисловості, забезпечила умови для електрифікації сільського господарства, відкрило наскрізне судноплавство Дніпром.

На початку XXI ст. в енергетичному комплексі України гідроелектростанції посідають третє місце після теплових та атомних. Сумарна встановлена потужність ГЕС України нині становить 8% від загальної потужності об’єднаної енергетичної системи країни. Середньорічний виробіток електроенергії гідроелектростанціями дорівнює 10,8 млрд кВт•год. Встановлено, що економічні та технічні можливості використання гідроенергоресурсів України дорівнюють близько 20 млрд кВт•год., а нині використовується не більше 50%. Основний використовуваний потенціал зосереджений на ГЕС Дніпровського каскаду (потужність – 3,8 ГВт, виробіток – 9,9 ГВт•год): Дніпровська ГЕС, Київська ГАЕС (гідроакумулююча), Ташлицька ГАЕС.

Окрім ГЕС і ГАЕС, в Україні нині експлуатуються 49 так званих малих ГЕС, які виробляють понад 200 млн кВт•год електроенергії. Але вони мають недоліки: швидке зношення обладнання, пошкодження споруд напірного фонтана, замулення водосховищ, недостатнє використання засобів автоматики та контролю.

Від 2009 року малі (до 10 МВт) гідроелектростанції в Україні отримали право на використання зеленого тарифу.

Подальший розвиток гідроенергетики потребує реконструкції і технічного вдосконалення гідровузлів. Заміну фізично застарілого обладнання слід здійснювати на сучасному рівні (з використанням засобів автоматизації та комп’ютеризації).

Напрямок розвитку малої гідроенергетики України:

• оновлення та реконструкція наявних і діючих міні-ГЕС;
• будівництво нових міні-ГЕС в районах децентралізованого енергопостачання;
• будівництво міні-ГЕС в регіонах централізованого енергопостачання на наявних перепадах водосховищ та водотоків;
• нове будівництво з концентрацією напору.

Мала енергетика України через її незначну питому вагу (0,2%) в загальному енергобалансі не може суттєво впливати на умови енергозабезпечення країни. Однак експлуатація малих ГЕС дає можливість виробляти близько 250 млн. кВт·год електроенергії за рік, що еквівалентно щорічній економії до 75 тис. т дефіцитного органічного палива.

Подальший розвиток гідроенергетики потребує реконструкції і технічного вдосконалення гідровузлів. Заміну фізично застарілого обладнання слід здійснювати на сучасному рівні (з використанням засобів автоматизації та комп’ютеризації).

 

ПІДРОЗДІЛ 2. ЕНЕРГІЯ МОРІВ І ОКЕАНІВ

 

Моря і океани є величезними акумуляторами і трансформаторами сонячної енергії, яка перетворюється в енергію хвиль, течій, тепла та вітру. Енергетичні ресурси океану відновні і практично невичерпні. Досвід експлуатації вже діючих систем океанської і морської енергетики свідчить, що вона майже не завдає шкоди навколишньому середовищу. Світовий океан містить велетенський енергетичний потенціал. Це, по-перше, сонячна енергія, поглинута океанською водою, що виявляється в енергії морських течій, хвиль, прибою, різниці температур різних шарів морської води і, по-друге, енергія тяжіння Місяця та Сонця, яка спричинює морські припливи та відпливи. Використовується цей величезний і екологічно чистий потенціал поки що недостатньо.

Під впливом Місяця та Сонця в океанах і морях збуджуються припливи, які спричинюють періодичні коливання рівня води при її горизонтальному переміщенні. Відповідно енергія припливів складається з потенційної енергії води та кінетичної енергії хвиль. За розрахунками, вся енергія припливів Світового океану оцінюється у 1 млрд кВт, тоді як сумарна енергія всіх річок земної кулі дорівнює 850 млн кВт. Отже, величезна енергетична потужність морів і океанів дуже цінна для людини.

Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій, то Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, - відбувається сильний приплив. Коли ж Сонце стоїть під прямим кутом до відрізка Земля-Місяць (квадратура), то настає слабкий приплив (мала вода). Період зміни сильного і слабкого припливів - сім днів. Проте на рух припливів і відпливів впливають особливості руху небесних тіл, характер берегової лінії, глибина води, морські течії і вітер. Середня висота припливу становить лише 0,5 м, за винятком тих випадків, коли водяні маси переміщаються у відносно вузьких межах. Тоді висота хвилі може у 10-20 разів перевищувати нормальну висоту припливного підйому.

Найвищі і найсильніші припливні хвилі виникають у невеликих і вузьких затоках або гирлах річок, що впадають у моря і океани. Найбільш придатними для використання енергетичного потенціалу є ті ділянки морського узбережжя, де припливи мають велику амплітуду, а контур і рельєф берега дають змогу влаштувати великі замкнуті "басейни".

Спорудження ПЕС пов'язано з великими труднощами. Перш за все енергія залежать від характеру припливів, на які неможливо впливати, оскільки вони визначаються астрономічними чинниками. Незважаючи на це, робота з розробки планів ПЕС продовжується - на сьогодні запропоновано близько 300 різних технічних проектів їх будівництва. Однак далеко не у кожному регіоні земної кулі є умови для такого будівництва.

Найпростішою енергетичною установкою є гребля з турбінами поперек гирла морської затоки, але вона може спричинити деградацію навколишнього середовища. Як уже зазначалося, електростанції, які використовують енергію морських припливів, вигідно споруджувати на тих ділянках узбережжя Світового океану, де припливи найвищі.

Як же працює ПЕС? На річці будується гребля для затримки вод високого припливу. Коли припливні води відступають, затримана греблею вода випускається в океан через грушоподібні турбіни під греблею, і виробляється електроенергія. Електроенергію можна виробляти як при відпливі, так і при припливі. Припливна хвиля затримується за греблею в результаті відкриття ряду донних затворів, що дозволяє їй рухатися нагору річкою у напрямку джерела. Затвори закривають тоді, коли приплив досягає найвищого рівня, а потім, по мірі відпливу, воді, замкненій за греблею, дозволяють стікати до моря через турбіни. При низькому рівні води, тобто при відпливі, велика частина цієї води спускається. Коли припливні води знов надходять, то зупиняються перед закритими затворами, рівень води з боку моря перевищує її рівень на боці греблі, зверненої до суші. Після того, як буде досягнутий достатній напір, воді дозволяють текти нагору річкою, проходячи через турбіни, і знову виробляти електрику. Таким чином, енергія виробляється і за рахунок відпливу, і за рахунок припливу.

На деяких ПЕС застосовується нова технологія. В останній фазі припливу різниця у рівнях води в резервуарі за греблею і в океані може бути близько двох метрів. У цей час електроенергія з якого-небудь іншого джерела може бути використана для перекачування океанської води (за допомогою турбін) у припливний басейн. Вода накачується на висоту лише декількох десятків сантиметрів, тому багато енергії не потрібно. Коли припливна хвиля відступає, ця додаткова вода падає з висоти 6-10 м, виробляючи набагато більше електроенергії, ніж її було витрачено. Та сама ідея реалізується і при відпливі, але у цьому випадку вода відкачується з припливного басейну в океан.

Поки через велику вартість цих споруд уряди країн не налаштовані вкладати кошти в припливну енергію, адже такі станції коштують у 2-2,5 рази більше, ніж річкові ГЕС з таким самим середнім обсягом виробленої енергії. Якщо ПЕС знаходиться далеко від найближчого великого споживача енергії, то будуть потрібні довгі й дорогі лінії електропередачі, але таке передавання на великі відстані стає усе більш звичним в міру створення нових ефективніших ліній.

І нарешті, варто згадати ще одну негативну рису припливної енергії - її непостійність. За звичайної експлуатації припливної енергії електрика виробляється тільки на початку відпливу, тобто тоді, коли рівень води, запасеної у басейні, достатньою мірою перевищує її рівень у морі. У міру зниження рівня води в басейні вироблення електроенергії зменшується і біля нижньої точки відпливу падає до нуля, оскільки різниця рівнів зникає. Якщо ПЕС обладнана реверсивними турбінами, то енергія може вироблятися і за рахунок наступаючого припливу, але тільки після того, як рівень припливу достатньо перевищить рівень води за греблею. Коли приплив досягає максимальної висоти, вироблення енергії знову наближається до нуля. Таким чином, крива вироблення енергії то піднімається, то падає двічі на добу відповідно до двох припливних циклів.

Варто згадати також деякі фізичні і біологічні наслідки будівництва ПЕС. Фізичні наслідки виявляються після впливу на природне середовище припливних басейнів, коли з боку моря на ПЕС відбуваються певні фізичні зміни. Навіть якщо амплітуда припливу збільшується усього на ЗО см, це може призвести до вторгнення морської води у прибережні колодязі і створити загрозу для будівель, розташованих поблизу верхньої позначки припливу. Можливе також прискорення берегової ерозії, а низинні ділянки, включаючи дороги, будуть затоплюватися, коли шторми і припливи діятимуть одночасно. Берегова смуга стане майже непридатною для використання через більш високі припливи.

Звичайно, втрати площі берегової смуги, що може бути знищена через припливне затоплення (за оцінками, від 15 до 40 км2), залежать від крутизни схилу і характеру берегової лінії. Відплив, нижчий на 15 см, здатний ускладнити доступ до човнів і до води з причалів. Збільшена висота припливу може викликати надходження більш солоної води в гирло річок і цим змінити умови мешкання водних організмів. Зі збільшенням амплітуди припливів виникнуть посилені припливні течії, що може призвести до розмивання піщаних обмілин і заповнення піском існуючих судноплавних рукавів. Це ускладнить прохід суден.

Будівництво великої ПЕС буде впливати на важливий біологічний простір уздовж узбережжя океану. Ця смуга називається припливною зоною і простягається від точки найвищого припливу до нижньої точки, що оголюється при відпливі (обидві ці межі трохи зміщуються зі зміною пори року). У цій зоні на піщаних берегах живуть різні організми - краби, креветки, черв'яки і деякі двостулкові молюски, а на скелястих - організми, прикріплені до скель (мідії, устриці, морські жолуді, великі водорості). У воді припливної зони мешкає фітопланктон - діатомові водорості, які переміщуються з водою припливів. Припливна енергія здатна змінити стійкий баланс між видами, що формують угруповання припливної зони.

Отже, незважаючи на те, що місця, де припливи могли б бути використані для вироблення електроенергії, є в усьому світі, перетворення енергії на ПЕС має суттєві недоліки:

• незбігання основних періодів виникнення припливів, пов'язаних з рухом Місяця, зі звичайним для людини періодом сонячної доби;
• зміна висоти припливу та потужності припливної течії з періодом у два тижні, що призводить до коливання виробництва енергії;
• необхідність створення потоків води з великою витратою при порівняно малому перепаді висот, що змушує використовувати велику кількість турбін, які працюють паралельно;
• великі витрати капіталу на спорудження ПЕС;
• потенційні екологічні порушення, зміни режимів естуаріїв і морських районів.

 

ПІДРОЗДІЛ 3. «СОЛОНА ЕНЕРГІЯ»

 

Солона вода океанів і морів має величезні нерозвідані запаси енергії, яка може бути ефективно перетворена в інші форми енергії в районах з великими градієнтами солоності.

Осмотичний тиск, що виникає при змішуванні прісних річкових вод із солоними, пропорційний різниці у концентраціях солей цих вод. Як джерело осмотичної енергії пропонують використовувати соляні куполи у товщі океанського дна. Розрахунки показали, що енергії при розчиненні солі середнього за запасами нафти соляного купола можна отримати не менше, ніж при використанні нафти, яка міститься у цьому куполі. Проекти з перетворення "солоної" енергії у електричну поки що розробляються.

Біомаса водоростей океанів і морів також містить велику кількість енергії. У майбутньому для переробки на паливо передбачається використовувати як прибережні водорості, так і фітопланктон. Основними способами такої переробки мають бути, по-перше, бродіння вуглеводів водоростей до спиртів; по-друге, ферментація великої кількості водоростей без доступу повітря для виробництва метану. Розробляється також технологія переробки фітопланктону для виробництва рідкого палива. Цю технологію можна поєднувати з експлуатацією океанських термальних електростанцій, підігріті глибинні води яких забезпечуватимуть процес розмноження фітопланктону завдяки наявності тепла і поживних речовин.

Світовий океан - величезний природний колектор сонячного випромінювання. Різниця температур між його теплими поверхневими водами, які поглинають сонячне випромінювання, та більш холодними придонними, становить до 20-25 °С. Це забезпечує запас теплової енергії, що безперервно поповнюється і теоретично може бути перетворена в інші види.

Термін перетворення теплової енергії океану - ОТЕС  - означає перетворення деякої частини цієї теплової енергії в роботу і далі - в електричну енергію. На рисунку 3 зображена схема такого перетворювального пристрою. Це теплова машина, що приводиться в дію різницею температур між холодною водою, піднятою з глибини, і гарячою водою, зібраною з поверхні. Робоча рідина (робоче тіло), циркулюючи замкненою схемою, відбирає тепло від гарячої води в теплообміннику 2, в паровій фазі приводить у дію турбіну З, пов'язану з генератором 4, а потім конденсується в конденсаторі 5, який охолоджується холодною водою 6. На цьому цикл завершується.

 

Рисунок 3. Перетворення теплової енергії океану: 1 – гаряча вода;

2 - теплообмінник; 3 - турбіна; 4 - генератор; 5 - конденсатор;

6 – холодна вода.

 

В океані подекуди досить близько розташовані шари води з різною температурою. Найбільшою (до 20-25 °С) різниця температури є у тропічній зоні Світового океану. На цьому й базується принцип одержання електроенергії. У спеціальний теплообмінник закачується насосами холодна глибинна вода і нагріта Сонцем поверхнева. Робочий агент (фреон), як у домашньому холодильнику, почергово випаровується та переходить у рідкий стан в різних частинах теплообмінника. Пара фреону рухає турбіну генератора.

Таким чином, енергія морів і океанів охоплює енергію течій на всій акваторії Світового океану, енергію припливів, хвиль, змішування прісної і солоної морської води, енергію градієнтів (різниць) температур між поверхневими і глибинними шарами води в тропічних районах океану тощо. Технічна реалізація використання цих джерел можлива за таких умов:

• освоєння тільки найбільш потужних течій;
• наявність припливів зі збільшеною амплітудою;
• наявність енергії хвиль, достатньої для використання;
• наявність ділянок океану зі значною різницею солоності між річковим стоком і морською водою з температурним перепадом не менше 20 °С.

Отже, використання енергії Світового океану для отримання електроенергії за допомогою припливних, хвильових та інших станцій навряд чи зможе помітно негативно вплинути на режим вод і берегової смуги. Окрім того, вони дадуть позитивний, хоча й локальний, ефект зниження механічного (ударного) впливу океану на берегову смугу, а також ослаблять тенденцію до підвищення температури в приземному шарі атмосфери. Різноманітність форм життя в морі створює проблему біологічного обростання. Це ж створює можливість розведення риби на фермах при ОТЕС. Морська вода з глибин багата на нітрати. її можна розподілити навколо станції і таким чином інтенсифікувати ріст водоростей, що, у свою чергу, приверне інших морських мешканців з більш високих трофічних рівнів. За рахунок цього можна створити основу для комерційного розведення риби.

 

 

РОЗДІЛ 4. КОСМІЧНА ЕНЕРГЕТИКА

 

Космічна енергетика - вид альтернативної енергетики, який передбачає використання енергії Сонця для вироблення електроенергії, з розташуванням енергетичної станції на Місяці або земній орбіті.

Космічний супутник по збору сонячної енергії складається з трьох частин:

• засоби збору сонячної енергії в космічному просторі, наприклад, через сонячні батареї чи тепловий двигун Стірлінга.
• засоби передачі енергії на землю, наприклад, через СВЧ або лазер.
• засоби отримання енергії на землі, наприклад, через ректенни.

 Космічний апарат буде перебувати на ДСО і йому не потрібно підтримувати себе проти сили тяжіння. Він також не потребує захисту від наземного вітру або погоди, але буде мати справу з космічними небезпеками, такими як мікрометеоритів і сонячні бурі.

Так як за 40 років з часу появи ідеї сонячні батареї сильно впали в ціні і збільшилися в продуктивності, а вантажі на орбіту стало доставляти дешевше, в 2007 році "Національне космічне товариство" США представило доповідь в якому говорить про перспективи розвитку космічної енергетики в наші дні .

Висока ефективність через те, що немає атмосфери, вироблення енергії не залежить від погоди і пори року.  Практично повна відсутність перерв так як на геостаціонарній орбіті супутник буде освітлений сонцем 24 години на добу.

Після розвитку енергетичних проектів, інвестиції в космічну галузь складуть сотні мільярдів, або трильйони доларів, цього буде достатньо, для будівництва постійних автономних поселень на місяці і баз на найближчих планетах, службовців першими центрами майбутньої космічної експансії.

Сучасне космічне угруповання складають в основному супутники, що є по суті вузькоспеціалізованими одноразовими автоматами. Діяльність людей на інших планетах обмежується науковими дослідженнями за допомогою автоматичних зондів. Космічна угруповання досить рідка і складається з автоматів, не рахуючи МКС, але і вона є дослідницькою лабораторією, що не виконує практичних завдань. Єдиний повноцінний в економічному сенсі сегмент сучасної космічної індустрії, це супутникове угруповання. Але не можна вести колонізацію космосу тільки за рахунок супутників і зондів.

Розвиток  космонавтики по індустріальному сценарієм запропонованому Агаповим, в найближчій перспективі дає можливість для комерціалізації пілотованих і місячних проектів, двох ключових секторів, з яких може початися розвиток його практичної колонізації, так як комерціалізація, присутність людей в космосі і практичне використання інопланетних ресурсів її головні умови. На наступних етапах космічна угруповання зможе розвинутися в індустріальну транспортно-технологічну систему, здатну служити опорою для подальшого промислового освоєння космосу.

На відміну від кількох зондів посилаються до інших планет в даний час або разових дослідницьких експедицій на Місяць і Марс, передбачуваних в офіційних концепціях, розвиток космічної індустрії дасть зовсім інші масштаби, розрахунок на постійну присутність людей і подальше експансивне освоєння космосу. Тобто йдеться про повномасштабну космічної експансії, переселення людей у ​​космічний простір і переході земної цивілізації на космічний рівень.

Космічна експансія здатна вивести людство з тупиків традиційної індустрії, пов'язаних з брудною енергетикою заснованої на викопному паливі, від газу до урану, і виснаженням земних сировинних ресурсів. Забезпечити бурхливе зростання наукоємного та високотехнологічного виробництва, так як в космосі будуть працювати в основному роботи, люди будуть зайняті в їх виробництві та обслуговуванні. Практично не обмежені за земними мірками ресурси і простору галактики зможуть забезпечити високий дохід усього населення землі, включаючи країни, що розвиваються, як мінімум на кілька поколінь вперед.

Колонізація космосу спричинить якісний підйом у всіх сферах життя і перехід на новий рівень розвитку, подібно промислової революції.

РОЗДІЛ 5. ГЕОТЕРМОЕНЕРГЕТИКА

 

Геотермальна енергія - це енергія у формі тепла, що акумулюється нижче поверхні "твердої" Землі. У 1 л "внутрішнього простору" Землі накопичено у середньому 2,6 кВт енергії. За рахунок теплоємності Землі люди могли б на ЗО млн років задовольнити сучасні світові потреби в енергії. Отже, накопичені в Землі запаси енергії є такими ж невичерпними, як і запаси енергії Сонця.

Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке утворюється переважно внаслідок розпаду радіоактивних речовин у земній корі та мантії. Температура земної кори углиб підвищується на 2,5- З °С через кожні 100 м (так званий геотермальний градієнт). Так, на глибині 20 км вона досягає близько 500 °С, на глибині 50 км - 700-800 °С. У певних місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже у 10 разів: на глибині 500-1000 м температура порід сягає 3000 °С. Однак для нормального використання геотермальних енергоресурсів достатньо значно менших температур.

Усю природну теплоту, яка міститься у земній корі, можна розглядати як геотермальні ресурси двох видів: по-перше, це пара, вода, газ; по-друге, це розігріті гірські породи. Гідротермальні джерела енергії поділяють на термальні води, пароводяні суміші і природну пару. Для отримання теплоти, акумульованої у надрах Землі, її спочатку треба підняти на поверхню. Для цього закладають свердловини і, якщо температура висока, то вода піднімається на поверхню природним чином; за нижчої температури може знадобитися насос.

Геотермальні води - екологічно чисте джерело енергії, що постійно відновлюється. Воно суттєво відрізняється від інших альтернативних джерел енергії тим, що його можна використовувати незалежно від кліматичних умов, погоди і пори року. За температурою геотермальні води поділяють на слаботермальні - до 40 °С, високотермальні - 60-100 °С, перегріті - понад 100°С. Також вони різняться за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тиском і глибиною залягання.

Є два типи геотермальних електростанцій (ГеоТЕС): перші для генерування струму використовують пару, другі - перегріті геотермальні води. У перших суха пара зі свердловини надходить у турбіну або генератор для вироблення електроенергії. На станціях другого типу використовуються геотермальні води температурою понад 190 °С. Вода природним чином підіймається вгору свердловиною, подається у сепаратор, де внаслідок зменшення тиску частина ЇЇ кипить і перетворюється на пару. Пара спрямовується у генератор або турбіну і виробляє електрику. Це найбільш поширений тип ГеоТЕС.

Значні масштаби розвитку геотермальної енергетики у майбутньому можливі лише за умов одержання теплової енергії безпосередньо з гірських порід. У цьому випадку в місцях, де знайдено сухі гарячі скельні породи, закладають паралельні свердловини, між якими утворюють систему тріщин. Тобто фактично формується штучний геотермальний резервуар, у який подається холодна вода з подальшим отриманням пари або пароводяної суміші.

Загалом геотермальна енергія Землі оцінюється потужністю близько 32 тис. ГВт. Її значні виходи на поверхню локалізовані в районах вулканічної активності, де концентрація підземного тепла дуже велика. Якщо комплекс пористих та проникних гірських порід виявиться розташованим біля приповерхневого магматичного тіла, котре увійшло в континентальну кору, то виникає підземний резервуар пари та води, нагрітих магмою. Гарячі вода і пара, що є в порах порід, формують так звані "геотермальні басейни". Якщо такий "басейн" містить проникні гірські породи, то гаряча вода і пара можуть виходити на поверхню через свердловини та використовуватися для приведення у дію електричних турбін. Оскільки пара більш придатна для енергогенеруючих турбін, то поки освоюються здебільшого ті геотермальні басейни, які містять пару.

За сучасними оцінками, геотермальна енергія, акумульована у перших 10 км земної кори, досягає 137 трлн т умовного палива, що у 10 разів перевищує геологічні ресурси усіх видів палива, разом узятих. З усіх видів геотермальної енергії найкращі економічні показники мають гідрогеотермальні ресурси - термальні води, пароводяні суміші і природна пара. Гідрогеотермальні ресурси, які практично використовуються на сьогодні, становлять лише 1 % від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними варто вважати ті регіони, де зростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати з тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а мінеральний склад термальних вод не створює додаткових труднощів.

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод показує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів та ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, становлять 4 % від загальних прогнозних запасів, тому їх використання у майбутньому варто пов'язувати з теплопостачанням і теплофікацією місцевих об'єктів. До категорії гідротермальних конвективних систем належать підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, фумароли, грязьові озера тощо. їх використовують для виробництва електроенергії за допомогою пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої води на поверхні.

Іншим способом виробництва електроенергії на базі високо-та середньотемпературних геотермальних вод є застосування двоконтурного (бінарного) циклу. При цьому вода, отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (фреону чи ізобутану), котрий має меншу температуру кипіння. Установки, що використовують фреон як теплоносій другого контуру, працюють у діапазоні температур 75-150 °С при одиничній потужності 10-100 кВт.

Крім цього, на сьогодні розроблені і застосовуються різні методи і технології використання геотермальної енергії, зосередженої як недалеко від поверхні землі (приповерхнева геотермія), так і на значних глибинах (глибинна геотермія).

РОЗДІЛ 6. ГЕЛІОЕНЕРГЕТИКА

 

На даний час людство активно впроваджує нові екологічно чисті джерела енергії. Перший бурхливий перехід на нові джерела енергії відбувся з 1890 року по 1910 рік, коли каретно-кінна тяга була замінена автомобілями, а електричне освітлення змінило газові світильники. Цей перехід призвів до промислової революції в більшості розвинених країн світу. В даний час людство знову переживає черговий етап переходу на нові джерела енергії, який почався в 1990 році і, за прогнозами вчених, продовжуватиметься до 2020 року. Особливість цього етапу полягає в його екологічній спрямованості – зменшення забруднення довкілля, істотне скорочення викидів в атмосферу вуглекислого і сірчистих газів. Протягом цього часу людство повинне впровадити у повсякденне життя поновлювані екологічно-чисті джерела енергії, перш за все, такі як геліоенергетика і теплові насоси. Інакше, майбутні екологічні катастрофи поставлять під загрозу можливість подальшого існування життя на нашій планеті.

Для оцінки можливостей сонячної енергетики об’єктивно вважають, що щільність потоку сонячної радіації поза атмосферою Землі рівна 1,4 кВт/м2, а над океаном на екваторі опівдні значення сонячної радіації складає 1 кВт/м2. Загальна потужність сонячної радіації, що перехоплюється нашою планетою, складає 1,7×1014 кВт. Це потужність, що приблизно в 500 разів перевищує граничні та навряд досяжні потреби людської цивілізації, які можуть скласти 3×1011 кВт. Якщо оцінити всю сонячну енергію, яку наша планета отримує за один рік, то вона складе 1018кВт×год, що приблизно в 10 разів більше енергії від всіх розвіданих та нерозвіданих викопних палив, включаючи і речовини, що розщеплюються. Із загальної кількості сонячного тепла, що поступає на Землю, сонячної радіації близько 30% негайно відбивається в космос у вигляді короткохвильового випромінювання, 47% адсорбується атмосферою, поверхнею планети (сушею і океаном) та перетворюється на тепло, яке переважно розсіюється в космосі у вигляді інфрачервоного випромінювання, інші 23% залучаються до процесів випаровування, конвекції, осаду та кругообігу води в природі. Невелика частина, близько 0,2%, йде на утворення потоків в океані та атмосфері, включаючи океанські хвилі. І лише 0,02% захоплюється хлорофілом зелених рослин і підтримує життя на нашій планеті. Мала доля від цих 0,02% забезпечила мільйони років назад накопичення на Землі запасів викопного палива.

Сонячна енергія упевнено завойовує стійкі позиції в світовій енергетиці. Привабливість сонячної енергетики обумовлена кількома обставинами:

• сонячна енергія доступна в кожній точці нашої планети, розрізняючись по щільності потоку сонячного випромінювання не більше ніж в два рази. Тому вона приваблива для всіх країн, відповідаючи їх інтересам в напрямку енергетичної незалежності;
• сонячна радіація - це екологічно чисте джерело енергії, що дозволяє використовувати його у все більш зростаючих масштабах без негативного впливу на довкілля;
• сонячне випромінювання – це практично невичерпне джерело енергії, яке буде доступне через мільйони років.

Основними напрямами використання сонячній енергії вважаються:

• здобуття тепла шляхом абсорбції прямого сонячного випромінювання;
• перетворення сонячної радіації на електричну енергію.

Отримання тепла шляхом прямої абсорбції сонячного випромінювання являє собою найбільш простий, з боку технічної реалізації, спосіб використання сонячної енергії. Тепло, отримане в результаті прямої абсорбції сонячної радіації, використовується для нагрівання води, обігріву приміщень, охолодження приміщень, сушіння матеріалів та продуктів сільськогосподарського виробництва. Великий практичний інтерес до обігріву приміщень та отримання гарячої води, за рахунок сонячної радіації, обумовлений тим, що в промислово розвинутих країнах близько 30-40% виробленої енергії споживається на так зване низькотемпературне нагрівання (<100°С).

Отримання такого низькотемпературного тепла можна здійснити за допомогою пласких та вакуумних сонячних колекторів (трубчастих), що працюють за принципом тепличного ефекту. Фізична суть цього ефекту полягає в тому, що сонячне випромінювання, падаюче на поверхню плоского чи вакуумного сонячних колекторів, який прозорий для сонячних променів, практично без втрат проникає всередину  та, потрапляючи на теплоприймач  геліоколектора нагріває його, а процес розсіювання теплової енергії теплоприймача в сонячному колекторі мінімізований. Оскільки основна інтенсивність сонячного випромінювання в наземних умовах знаходиться в спектральному інтервалі 0,4 мкм –1,8 мкм, то як прозорий верхній шар використовується звичайне скло, що має коефіцієнт пропускання в цьому спектральному діапазоні до 95%. Розташований в нижній частині сонячного колектора (плаский) або всередині трубки (вакуумний) теплоприймач геліоколектора є абсорбуючим покриттям з коефіцієнтом поглинання сонячного випромінювання до 82-92%. Поглинаючи пряме сонячне випромінювання, це абсорбуюче покриття  може нагріватися залежно від потужності падаючого сонячного випромінювання до 50-90°С. Нагріте до таких температур тіло випромінює теплову енергію, основна потужність якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні.

Для спектрального діапазону, відповідного інфрачервоному випромінюванню, скло володіє низьким коефіцієнтом пропускання, а вакуум в вакуумних сонячних колекторах зводить це до нуля. Це й призводить до тепличного ефекту, що полягає в накопиченні енергії під склом і збільшенні температури теплоприймача до 160°С для плаского геліоколектора та 250°С для вакуумного геліоколектора, якщо перетворена енергія не відводиться з сонячного колектора теплоносієм (режим стагнації). У робочому режимі накопичене тепло витрачається на нагрів води, яка циркулює через геліосистему.

В середній смузі Європи в літній період продуктивність пласких колекторів може досягати 50- 60 літрів води, а вакуумних сонячних колекторах 70-90 літрів води, нагрітої до 60-70°  із з кожного квадратного метра геліоколектора в день. ККД плаского сонячного колектора складає близько 70% та залежить від температури довкілля, щільності потоку сонячної енергії і температури, до якої необхідно нагрівати воду в геліосистемі. ККД вакуумного сонячного колектора складає близько 92% та залежить лише від щільності потоку сонячної енергії і температури, до якої необхідно нагрівати воду в геліосистемі. Із зменшенням температури, до якої необхідно нагрівати воду, циркулюючу через геліоколектор, ККД сонячного колектора підвищується. Проте стандартна температура води, що нагрівається складає 50°С. Для сонячного колектора основною технічною характеристикою є об'єм води, нагрітої до заданої температури протягом світлового дня квадратним метром. Цей параметр залежить від пори року та географічного положення місця, в якому встановлюються геліоколектори. Ефективність сонячного колектора залежить від характеристик селективно-поглинаючого покриття, яке володіє властивістю добре поглинати видиму частину сонячного спектру та практично не випромінювати в інфрачервоної області спектру. Селективні покриття є одним з наукомістких елементів в конструкції геліоколектора.

Одним з основних економічних показників сонячного колектора, поряд з його вартістю, є надійність та довговічність. Термін служби геліоколектора складає не менше 10 років. Вакуумні сонячні колектори Прогрес-ХХІ володіють низькою матеріаломісткістю (вага матеріалу витрачена на виготовлення 1м² поверхні) та низькою інерційністю (час нагріву води до заданої температури при заданому тиску води).  У геліосистему отримання низькотемпературного тепла, також входять накопичувачі тепла (баки акумулятори), які в простому випадку є термоізольованими ємкостями (термоси) для зберігання гарячої води. Об'єм бака акумулятора та необхідна площа геліоколекторів, визначаються добовим споживанням тепла та середнім числом сонячних днів на рік в даній місцевості. Якщо сонячний колектор використовує не воду, а незамерзаючу рідину, то за допомогою теплообмінника в накопичувальному теплоізольованому баці та додаткового нагрівача (газ, електрика і тому подібне) можна протягом року економити до 50-60% енергії, необхідної для обігріву будинку та інших теплових домашніх потребах, що практично широко використовується в промислово розвинених країнах. В цьому випадку сонячні колектори працюють цілий рік в автоматичному режимі, паралельно із звичайними паливними або електричними нагрівачами води. У геліосистемах для сушки матеріалів та продуктів сільського господарства в якості теплоносія використовується повітря.

На території України енергія сонячної радіації за один середньорічний світловий день складає в середньому 4 кВт за годину на 1 м² (у літні дні – до 6 – 6,5 кВт  на годину ) тобто близько 1,5 тисячі кВт на годину за рік на кожен квадратний метр. Це приблизно стільки ж, скільки в середній Європі, де використання сонячної енергії носить досить широкий характер.

Вище викладене дає підставу вважати, що на Україні існують всі необхідні та достатні умови для широкомасштабного впровадження геліоенергетики та сонячних колекторів для виробництва теплоої енергії в народному господарстві.

ВИСНОВОК

 

Виходячи з вищесказаного можу сказати, що використання альтернативних джерел енергії є важливим як в національному, так і міжнародному масштабі – з точки зору реакції на глобальні кліматичні зміни та покращення енергетичної безпеки в Європі. Енергетична стратегія України визначає такі перспективні напрямки розвитку альтернативних та відновлювальних джерел енергії: біоенергетика, видобуток та утилізація шахтного метану, використання вторинних енергетичних ресурсів, вітрової і сонячної енергії, теплової енергії довкілля, освоєння економічно доцільного гідропотенціалу малих річок України.

 Для вироблення і втілення в життя національної стратегії розвитку альтернативної енергетики в Україні є все: сировина, досвід, технічні і технологічні напрацювання, підготовка відповідних кваліфікованих кадрів у системі вищої освіти. Справа залишається за наданням галузі ефективної державної підтримки, що дозволить привернути так необхідні енергетиці інвестиції. Потрібна програма, яка б на державному рівні координувала участь всіх зацікавлених сторін: окремих громадян, бізнес структури, урядові установи, наукові, промислові та громадські організації.

 По аналогії з досвідом провідних держав особлива увага має бути приділена наступним питанням:

• пріоритетній державній підтримці проведенню науково-дослідних, дослідно-конструкторських робіт, технічних і маркетингових досліджень в галузі альтернативної енергетики;
• сприянню в доступі до пільгових кредитів, безвідсоткових позик та інших інструментів фінансового стимулювання галузі;
• навчанню і розповсюдженню інформації про наявний досвід інших країн у виконанні аналогічних програм;
• об'єднанню зусиль щодо розвитку галузі з іншими екологічними і соціальними програмами, а також підтримці програми на загальнодержавному рівні.

 Ці та інші заходи, безумовно, будуть сприяти збереженню та розвитку відповідного вітчизняного академічного, університетського та галузевого науково-технологічного потенціалу, розширенню міжнародного співробітництва в галузі альтернативної енергетики, зміцненню міжнародного іміджу нашої держави, зменшенню залежності України від найбільших світових постачальників енергетичної сировини, підвищенню рівня її енергетичної безпеки.

 

 

Використана література

 

1.         Бабієв Г.М., Дероган Д.В., Щокін А.Р. Перспективи впровадження нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії в Україні. // ЕЛЕКТРИЧНИЙ Журнал,- Запоріжжя: ВАТ "Гамма",1998 №1, - С.63-64.
2.         Дероган Д.В., Щокін А.Р. Перспективи використання енергії та палива в Україні з нетрадиційних та відновлюваних джерел.//Бюл. "Новітні технології в сфері нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії", Київ: АТ "Укренергозбереження",1999.- №2, - С.30-38.
3.         В. Германович, А. Турилин. Альтернативні джерела енергії. Практичні конструкції з використання енергії вітру, сонця, води, землі, біомаси.
4.         Володимир Віссаріонов, Галина Дерюгінa, Валентина Кузнєцова, Ніколай Малінін. Сонячна енергетика
5.         Юрий Сибикин, Михаил Сибикин. Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії