Опорний конспект на тему "Сталий розвиток галузей - масштаб для орієнтованих на людину енергоефективних та екологічних дій"

Устойчивое развитие отраслей – масштаб для ориентированных на человека энергоэффективных и экологических действий

ГЕЛЕОЭНЕРГЕТИКА

Солнце не только создает благоприятный климат для жизни на нашей планете, но и дает нам такой уникальный и неисчерпаемый источник энергии, как солнечное излучение. Оно способно обеспечить нас таким количеством энергии, которая значительно превышает наши потребности. Да, Украина, при общем площади свыше 600 тыс.кв.км., за год потребляет около 10 жал Гтдж первичной энергии, а Солнце на эту площадь посылает около 3400 тыс. Пдж, что в 300 раз больше общего потребления Украиной первичной энергии. Солнечную энергию часто называют окончательным решением мировой энергетической проблемы. Она экологически чистая, не наносит вреда окружающей среде. Основная проблема на пути использования солнечной энергии - как уловить наибольшую часть потока солнечной энергии и с наименьшими потерями превратить в такие необходимые нам тепло или ток.

Люди с древних времен направляли солнечную энергию себе на службу, используя ее для сушки кож животных, из которых изготовляли одежду, мебель и посуду; для вяления рыбы и мяса с целью их длительного хранения; для получения соли путем испарения ее из воды.

Со временем люди совершенствовали орудия труда и изобретали новые способы использования солнечного излучения. Появились навесы, которые хранят солнечное тепло зимой и спасают от жары летом; теплицы, благодаря которым можно продлевать длительность сельскохозяйственных работ; зимние сады. Сегодня, специалисты, которые работают над этими вопросами, достигай невиданных успехов. Они создали множество устройств, которые используют энергию солнца: высокоэффективные сушилки, солнечные печи для приготовления еды и плавки металлов, опреснители воды и тому подобное. На энергии солнечных лучей сегодня двигаются машины и летают самолеты.

Солнечная энергетика основывается на превращении солнечного излучения в электрическую (солнечные электрические системы) или тепловую энергию (солнечные тепловые системы - производят теплоту для получения горячей воды, отопления помещений и тому подобное). Мы остановимся на современных технологиях использования энергии Солнца.

Солнечная энергия эффективнее всего может быть использована в качестве тепловая. Преимуществом таких систем является высокий коэффициент полезного действия (КПД), который достигает 45-60%, а в случае применения концентраторов - 80-85%. Тепло, полученное в солнечных системах теплоснабжения, используется для нагревания воды, отопления зданий, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности, В солнечных преобразователях готовят еду, сушат овощи и фрукты и, хоть как идет странно, даже замораживают продукты. Превращение солнечной энергии в тепловую обусловлено способностью веществ поглощать электромагнитное излучение, в результате чего их температура растет.

Широкое распространение приобрело использование низкотемпературных солнечных систем, где теплоноситель нагревается к І00-200"С. Но иногда нужны высшие температуры, и с этой целью используют разного типа концентраторы солнечного излучения, которое позволяет достигать высоких температур (до 3000 градусов по Цельсию), чего достаточно даже для плавки металлов.

Системы солнечного теплоснабжения разделяют на активные и пассивные. К первым принадлежат системы, в которых тепловая энергия получена от солнечного излучения, передается с помощью разных технических и средств непосредственно в место ее использования.

Сегодня солнечная энергия наиболее широко используется на следующем рисунке, основанная на явлении «парникового эффекта» для нагревания рабочей жидкости.

Жидкость в солнечном коллекторе должна быть морозоустойчивой и нетоксичной. Обычно используется вода с 40%-м пропиленгликолем. Наиболее распространено использование солнечной энергии для прямого нагревания воды, для отопления домов и для горячего водоснабжения. Уже сегодня эксплуатируются также гелиоустановки, что при плоскости коллекторов 4-6 м² производят около 200 л горячей воды за сутки.

В большинстве действующих установок среднегодовой эксплуатационный КПД коллектора находится на уровне 40-50%. Стоимость получаемой теплоты приблизительно равняется стоимости теплоты, получаемой от централизованных систем отопления и горячего водоснабжения. Для широт выше 30° такие установки могут использоваться в качестве сезонные. На сегодня в мире работает более 2 млн. систем горячего водоснабжения. Наибольшую суммарную площадь солнечных коллекторов имеют:

США- 10 млн. м2

Япония - 8 млн. м2

Израиль - 1,7 млн. м2

Австралия - 1 млн. м2

В Украине установлено около 10 тыс. м² солнечных коллекторов. Государственной программой предусмотрено сооружение до 2010 года солнечных коллекторов общей площадью до 10 млн. м².

В последнее время в связи со стремительным развитием космической техники в мире вырос интерес к установкам, которые непосредственно превратят солнечную радиацию в электрическую энергию с помощью полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЕП). Стоимость электроэнергии, производимой фотоэлектрическими установками (ФЕУ), на сегодня в несколько раз выше, чем на электрических станциях с тепловым циклом. Невзирая на это, ФБУ активно внедряется как в развитых, так и в странах, которые развиваются.

Использование ФЕУ позволяет решить ряд проблем: обеспечить электроэнергией индивидуальные дома и отдаленные поселки, то есть - получать социальный эффект. Кроме того, ФЕУ является экологически чистыми источниками энергии и повышают энергетическую автономию потребителей.

Как светочувствительную зону в фотоэлементах используют селен (Sе), кристаллический кремний (Sі) и  полупроводниковые материалы.

БИОЭНЕРГЕТИКА

В биоэнергетике как источник возобновляемой энергии используется биомасса. Под этим сроком понимают все виды растений, растительные отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и других видов промышленности, которые имеют энергетическую ценность и могут быть использованы в качестве топливо. В более широком понятии к биомассе относят также бытовые отходы. Чаще всего биомассой является солома, отходы переработки зерна и т.д.

До недавнего времени использование биомассы сводилось к ее прямому сжиганию в печах и топках из относительно низким КПД. В последнее время эффективному использованию биомассы стали уделять больше внимания через появление новых аргументов:

•   энергетическое использование отходов решает экологические проблемы;
• новейшие технологии позволяют использовать биомассу значительно эффективнее;
• использования растительной биомассы при условиях ее непрерывного возобновления (например, новые лесопосадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосфере.

Биотопливо имеет низкую энергетическую ценность сравнительно с органическим топливом.

Теплотворнисть отдельных видов отходов:

• отходы лесного хозяйства - 2050 кКал/кг
• отходы деревообработки - 2300 кКал/кг
• городские твердые отходы - 2400 кКал/кг
• пластмасса - до 12000 кКал/кг.

Позитивным относительно биомассы является то, что пепел после сгорания биомассы может использоваться в качестве удобрение, в то время как при сжигании угля вопроса утилизации пепла является серьезной проблемой.

Бытовые отходы (мусор) городов образуются из продуктов жизнедеятельности человека. Суммарные отходы за сутки на одного человека составляют в городе около 3,2 кг.

Наиболее эффективными технологиями использования биомассы термохимические: метановое брожение, газификация, прямое сжигание.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, который образуется в специальных реакторах, - метатенках. Энергия, которую получают при следующем сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% энергии исходного материала. Важной особенностью процесса переработки биомассы в метатенках есть то, что в отходах биомассы содержатся гораздо меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано тогда, когда переделывается постоянный поток отходов (стоки животноводческих ферм, боен, растительные отходы).

Биогаз используется для освещения, отопления, приготовления еды, приведения в действие разных механизмов.

Годовая потребность в биогазе для подогрева дома составляет около 65 м³ на 1 м² жилой площади. Для получения 1 кВт*год электроэнергии необходимо использовать 0,15-0,2 м² биогаза.

Показатели биогазового потенциала гноя разных животных: 1 корова (500 кг) - 7 кВт*ч/сутки; 1 свиноматка (150 кг) - 2 кВт*ч/сутки; 200 председателей домашних птиц -10 кВт*ч/добу.

В Украине планировалось создать производство необходимого оборудования и довести годовое производство биогаза в 2000 году до 0,012 млрд. м\ а в 2010 году - до 5 млрд. м³ (это эквивалентно 4,3 мглы. тонн условного топлива).

В США есть более 10 больших биогазовых заводов, в Западной Европе около 1000 биогазовых установок средней мощности. В Китае свыше 10 млн. больших и средних биогазовых установок.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

Сила ветра - это один из самых древних, используемых человеком источников энергии, которая есть и наиболее экономическим.

Энергию ветра с древних времен использовали и в Украине. Например, в 1917 году здесь было около 30 тыс. ветряков общей мощностью около 200 тыс. кВт. С началом коллективизации количество ветряков уменьшилась и они практически были вытеснены из эксплуатации.

Энергия ветра неисчерпаема пока греет солнце. Ветер создается на земле в результате неравномерного нагревания ее поверхности солнцем. Воздух над водной поверхностью на протяжении дня заважничает холоднее, чем над сушей, потому что суша днем сильнее нагревается, чем вода. Ночью суша быстрее охлаждается, чем вода, потому воздух над сушей также быстрее охлаждается, а над водой оно остается более теплым. Теплый воздух выталкивается холодным и поднимается вверх. Потому днем ветер дует из моря на сушу, а ночью наоборот. Аналогичные изменения направления ветров происходят в горной местности. Подобная циркуляция воздушных масс в земной атмосфере наблюдается при большем нагревании поверхности Земли вблизи экватора, чем возле ее полюсов. Ветер над холодной поверхностью, которая дует от полюсов к экватору Земли, замещает горячий воздух, который поднимается в тропиках и перемещается в верхних слоях атмосферы в направлении к полюсам. На циркуляцию воздух влияет также вращение Земли и то, что ось вращения Земли имеет наклон под углом 23' 30' к плоскости ее вращения вокруг

Солнца.

Что такое энергия ветра? Часть солнечной энергии, которая превращается в кинетическую энергию частиц воздуха, которые двигаются. Кинетическая энергия ветрового потока равняется

A=m*V²/2

где m - масса воздуха, который двигается, кг; V - скорость ветра, м/с.

Энергия ветра имеет ряд специфических особенностей: малую концентрацию единицы объема воздушного потока; случайный характер изменения скорости.

С другой стороны имеем повсеместное распространение этого источника энергии. Современные технические средства ветроэнергетики позволяют рассматривать энергию ветра как дополнение к "большой энергетике", в первую очередь для обеспечения энергией потребителей в труднодоступных районах, удаленных от источников централизованного энергообеспечения.

Мощность ветрового потока определяется как:

P=A/τ=ρ*((F*V³)/2)

где ρ - плотность воздуха, кг/м3;

F- площадь, которая перекрывается ветровым потоком, м²;

V - скорость ветра, м/с.

Ветровое колесо, размещенное в потоке воздуха, может, в лучшем случае, теоретически превратить в мощность на его валу 16/27-0,59 мощности потока воздуха, который проходит через плоскость, которая охватывается ветровым колесом. Это идеальный теоретический КПД ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес значения около 0,45.

Неравенства местности, на которой располагаются ветроагрегаты, существенно влияют на ее энергопотенциал. Например, если энергопотенциал открытой поверхности (море) принять за 10, то энергопотенциал пересеченной местности с лесами и зданиями равняется 2,4 (в соответствии с европейской практикой строительства ветростанций).

Существуют две принципиально разные конструкции ветроустановок: из горизонтальною и вертикальной осью вращения.

Более распространенные ветроустановки с горизонтальной осью

Основными элементами ветроенергетичных установок является: ветроприемный аппарат (лопать); редуктор передачи крутильного момента к электрогенератору; электрогенератор и башня. Лопать вместе с редуктором образуют ветродвигатель. Редуктор вместе с электрогенератором могут располагаться внизу в основе башни, наверху ли башни в гондоле.

Мощнейшие ветроустановки имеют мощность до 4000 кВт.

Ветроустановки имеют механизм разворота оси вращения по ветру и изменения наклона лопат, потому что вееер может изменить свое направление и силу.

Срок окупаемости ветроустановок зависит от характера местности, обеспеченности коммуникациями, мощности установке и других факторов. Обычно он составляет от 3 до 8 годов.

Теоретические ресурсы ветровой энергии в пределах территории Украины превышают нынешнее производство электроэнергии приблизительно в 150 раз. Наиболее эффективным было бы размещение этих установок на водных поверхностях. Например, ветровой потенциал лишь Сиваша позволяет произвести электроэнергии в 1,5-2 разы больше, чем нынешнее общее производство электроэнергии в Украине.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Высказывание "геотермальная энергия" буквально значит, что это энергия тепла земли (гео - земля, термальная, - тепловая).  Основным источником этой энергии является постоянный поток тепла из разогретых недр на поверхность земли. Этого тепла достаточно, чтобы расплавить горне породы под земной корой, превратив их в магму, что мы можем иногда видеть на поверхности в виде лавы. Большая часть магмы остается под землей и подобно печи нагревает окружающую породу. Вследствие этого подземные воды могут нагреваться к высоким температурам. В некоторых местах, особенно по краям тектонических плит материков, а также в, так называемых, "горячих точках" горячая вода подходит так близко к поверхности, что ее можно добывать с помощью геотермальных щелей.

Электрическая энергия впервые была получена с использованием геотермального резервуара сухого пара в 1904 году. Первая коммерческая геотермальная электростанция в СЕЛА начала производить энергию с 1960 года, а сегодня это второе по важности и объему использования восстанавливается источник энергии.

В 1995 году мощность всех геотермальных электростанций мира составила 6000 Мвт и 11300 Мвт - тепловых станций для прямого использования теплоты.

Геотермальный резервуар являет собой потрескавшуюся породу, насыщенную горячей водой или паром. Чтобы добыть воду или пар на поверхность в резервуаре бурят щели. Размеры резервуаров - от нескольких тысяч кубических метров до нескольких кубических километров.

Если бы можно было использовать всего 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км.), мы имели бы в своем распоряжении количество энергии, что в 500 раз превышало бы все мировые запасы нефти и газа.

Сегодня очень незначительная часть геотермальной энергии может быть использована. Ограничения обусловлены в основном экономическими причинами. Для того, чтобы определить, имеет ли данная местность потенциал геотермальной теплоты для промышленных и бытовых потребностей, необходимые предыдущий поиск и разведка. Эта особенность является одним из главных отличий геотермальной энергии от других видов восстанавливаемых источников энергии.

Есть несколько минусов экологического харак­тера. В геотермальном паре обычно содержится се­роводород, который в больших количествах ядовит, а в небольших — неприятен из-за запаха серы. Одна­ко системы, удаляющие этот газ, эффективны и более действенны, чем системы понижения токсично­сти выхлопа на электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Кроме того, частицы в парово­дяном потоке иногда содержат небольшое количе­ство мышьяка и других ядовитых веществ. Но при закачивании отходов в землю опасность сводится до минимума. Беспокойство может вызывать и возможность загрязнения грунтовых вод. Чтобы это­го не произошло, геотермальные колодцы, пробу­ренные на большую глубину, должны быть «одеты» в каркас из стали и цемента.

МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

Гидроэлектростанции, которые используют энергию воды, которая двигается, называются малыми при мощности меньше за 5 Мвт. Наиболее трудоемким и сложным процессом для ГЕС есть сооружение защитных и напорных дамб.

Опыт много государств говорит о том, что освоение потенциала малых рек с использованием малых ГЕС помогает решить проблему улучшения энергоснабжения. Наиболее эффективными являются малые ГЕС, которые сооружаются на имеющихся гидротехнических сооружениях. Средний срок окупаемости таких ГЕС составляет 2-6 лет.

Оборудование для малых ГЕС сегодня делает многочисленные фирмы практически всех развитых стран мира.

Стоимость электроэнергии, выработанной на мини- ГЭС, зависит от целого ряда причин:

- места строительства и расходов на строительство;

- многофункциональности инженерных сооружений (дамба я другие гидротехнические сооружения могут быть главными объектами для орошения, водоснабжения района и только во вторую очередь для мини- ГЭС);

- условий финансирования;

- влияние на окружающую среду;

- мощности турбин.

По отмеченным причинам стоимость электроэнергии отличается в каждой местности. Но в среднем она будет в 10 раз выше, чем выработанная на гидротурбинах большой мощности.

Следует отметить, что негативное влияние на окружающую среду, характерное для больших ГЕС (нарушение теплового, гидравлического и климатического состояния местности) не характерный для мини- ГЭС.

В Украине насчитывается больше 63 тыс. малых год и водотоков общей длиной 136 тыс.км.

Основной гидрологической характеристикой является средний многовековой сток, или норма годового стока. Наибольшей водоносностью отличаются реки Карпат.

В 1929 году в Украине насчитывалось 150 малых ГЕС общей мощностью 8400 кВт.

В послевоенный период электрификация сельского хозяйства основывалась на увеличении мощностей и улучшении технико-экономических показателей малых электростанций. В конце 50-х годов в связи с развитием централизованного электрообеспечения была принята линия на концентрацию производства электроэнергии на мощных тепло- и гидростанциях, строительство малых ГЕС было прекращено, началось их консервирование, демонтаж, сотни малых ГЕС были разрушены. Сегодня в Украине сохранилось лишь 48 малых ГЕС, большинство из которых требует реконструкции.

ЭНЕРГИЯ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

Моря и океаны занимают 71% поверхности Земли и имеют энергию таких видов:

- энергия волн и приливов;

- энергия химических связей газов, солей, минералов;

- энергия течений;

- энергия, обусловленная разницей температур на поверхности воды и в глубине

Тепловая (внутренняя) энергия, которая отвечает перегреву поверхностной моды морей и океанов, например, к 20° С, составляет около 10 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается приблизительно в 10І8Дж.

Наиболее распространенным способом использования энергии морей и океанов является сооружение приливных электростанций. С 1967 года в устье реки Рани во Франции работает приливная станция мощностью 240 Мвт. Подобные станции сооружаются в Канаде и Англии. Бакены и маяки, которые используют энергию морских волн, покрыли прибрежные воды Японии.

По оценкам специалистов энергия морских и океанских волн составляет, 30% всей используемой в мире энергии. Для использования энергии волн разработаны несколько пристроил. Например, плот Кокереля состоит из трех шарнирно-соединенных понтонов, которые находятся на плаву. Поднятие и опускание понтонов передается рабочей жидкости, которая действует на гидравлический генератор, который производит электрический ток.

Выпрямитель  Рассела регулирует движение воды таким образом, что она поступает в турбину только в одном направлении.

Применяются и другие виды аналогичных установок.

Основными причинами, которые сдерживают развитие волновых энергоустановок, является рассредоточение энергии на большой поверхности, непостоянное волнообразование, низкая скорость движения волн при значительных силах, что их вызывают.

Таким образом, при проектировании волновых энергоустановок приходится в первую очередь решать вопрос концентрации и аккумуляции энергии, а также эффективного ее превращения с максимальным использованием имеющихся технических решений.

Основными путями развития волновых энергоустановок является повышение концентрации энергии волн и энергоемкости аккумуляторов, их надежности.

В ряде развитых морских государств уже эксплуатируются волновые энергоустановки, в которых найдено комплексное решение перечисленных проблем, - они называются многоступенчатые волновые насосы.