Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика

Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика.

Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение – только преобразование из одного вида в другой. Современная наука знает следующие три способа освобождения энергии, заключенной в веществе: 1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками); 2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования.

Запасы различных источников энергии на Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 1. [Алексеев] Таблица 1 Запасы некоторых источников энергии на Земле |Вид энергии |Запасы, кВт•ч | |Невозобновляемые источники энергии: | | |Ядерная энергия (деления) |547 000 •1012 | |Химическая энергия горючих веществ |55000•1012 | |Внутреннее тепло Земли |134•1012 | |Ежегодно возобновляемые источники энергии: | | |Энергия солнечных лучей |580000•1012 | |Энергия морских приливов |70000•1012 | |Энергия ветра |1700•1012 | |Энергия рек |18•1012 | Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.

Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100- 150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и некоторые другие.

А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ – нефти, газа, угля (табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС. С экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ) выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии.

Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших водоемов, но даже если использовать все потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения даже текущих потребностей человечества.

Энергию ветра, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем, этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей альтернативной энергетике.

Солнечное же излучение доступно практически в любой точке Земли. Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт•ч/м2 в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км2 можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от географической широты от 2.2 МВт•ч/м2 до 1.2 МВт•ч/м2 в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл. 2).[Бринкворт] Таблица 2 Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (инсоляция) |Местоположение |Широта, |Инсоляция, кВт•ч/м2 | | |град | | | | |Наибольшее |Наименьшее |Годовое | | | |значение в |значение в |значение | | | |день |день | | |Экватор |0 |6.5 |5.8 |2200 | |Тропики |23.5 |7.1 |3.4 |1900 | |Средние широты |45 |7.2 |1.2 |1500 | |Центральная Англия|52 |7.0 |0.5 |1400 | | |66.5 |6.5 |0 |1200 | |Полярный круг | | | | | Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не позволяла до последнего времени широко использовать их где-то еще кроме как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в последние 7-10 лет. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее получения.

Глава 2. Виды СЭ Выше уже упоминалось, что солнечное излучение универсально – кроме непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр. ), существует множество способов его использования.

Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую (солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе. |Применение солнечного излучения в |Преобразование солнечного излучения в| |виде тепла |электрическую и механическую энергию | |Гелиоустановки (солнечные |Термоэлектрические генераторы: | |коллекторы): |Термоэлектронная эмиссия | |Нагрев воды с целью теплоснабжения и |Термоэлементы (термопары) | |горячего водоснабжения жилья |Фотоэлектрические генераторы: | |Опреснение воды |Фотоэлектронная эмиссия | |Различные сушилки и выпариватели |Полупроводниковые элементы | | |Фотохимия и фотобиология: | | |Фотолиз (фотодиссоциация) | | |Фотосинтез | Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

II. Преобразование солнечного излучения в тепло Глава 1.