Альтернативные источники энергии

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлектрических преобразователях, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

    Но, для примера, электростанция на солнечных  батареях вблизи экватора с

суточной  выработкой  500  МВт•ч  (примерно  столько  энергии   вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной  поверхности около  500000  м2.   Ясно,   что   такое   огромное   количество   солнечных полупроводниковых  элементов  может.  окупиться  только  тогда,   когда   их производство   будет   действительно   дешево.    Эффективность    солнечных электростанций  в  других  зонах  Земли  была  бы  мала  из-за  неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности  солнечной  радиации, которую здесь даже в солнечные дни  сильнее  поглощает  атмосфера,  а  также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.

        Тем  не  менее  солнечные  фотоэлементы  уже  сегодня  находят  свое

специфическое   применение.   Они   оказались    практически    незаменимыми источниками  электрического  тока  в  ракетах,  спутниках  и  автоматических межпланетных станциях, а на Земле – в первую очередь для питания  телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для  малых  потребителей  тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые  солнечные батареи  впервые  были  установлены  на  третьем   советском   искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

    Оценки эффективности  солнечных  электростанций:  сегодня  эти  сооружения  все  еще  относятся  к наиболее сложным и самым  дорогостоящим  техническим  методам  использования гелиоэнергии. Нужны новые варианты, новые идеи.  Недостатка  в  них  нет [7].

1.3  Энергия приливов

Использование энергии приливов началось уже в ХI в. для работы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира.

Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

Приливные электростанции работают по следующему принципу:

в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В некоторых проектах предусмотрены двух- и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии. 

  С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих направлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.

  При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

  В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт[8].

 

1.4. Термоядерный синтез

  Термоядерные реакции, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах. Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при термоядерной реакции. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

    Термоядерные реакции, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи).

  Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций.   

  Различают два типа термоядерного реактора. К первому типу относятся термоядерный реактор, которым необходима энергия от внешних источников только для зажигания термоядерных реакций. Далее реакции поддерживаются за счёт энергии, выделяющейся в плазме при термоядерных реакциях; например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры плазмы расходуется энергия α-частиц, образующихся в ходе реакций. В стационарном режиме работы термоядерного реактора энергия, которую несут α-частицы, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. К такому типу термоядерного реактора относится, например, токамак.

К другому типу термоядерного реактора относятся реакторы, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в виде a-частиц, а необходима энергия от внеш. источников. Это происходит в тех реакторах, в которых велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

  Термоядерные реактор может быть построен на основе систем с магнитным удержанием плазмы, таких, как токамак, стелларатор, открытая магнитная ловушка и др., или системы с инерционным удержанием плазмы, когда в плазму за короткое время (10-8—10-7 с) вводится энергия, достаточная для возникновения и поддержания реакций термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы может работать в квазистационарном или стационарном режимах. В случае инерционного удержания плазмы термоядерный реактор должен работать в режиме коротких импульсов.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определенного предела, а специально создаваемым магнитным полем. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для сжатия, разогрева, и удержания равновесия плазмы. Этим он, в частности, отличается от стелларатора, являющегося одной из альтернативных схем удержания, в котором и тороидальное, и полоидальное поля создаются с помощью магнитных катушек. Но так как нить плазмы являет собой пример нестабильного равновесия, проект токомак пока не реализован и находится на стадии крайне дорогостоящих экспериментов по усложнению установки.

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем с помощью индуктора в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.[10]

 

 

 

 

1.5 Энергия вакуума

Прежде чем понять, что собой представляет энергия вакуума, попробуем разобраться с самим вакуумом. Что такое вакуум, и какое место занимает он в нашем мире, можно понять из следующего.

Все знают, что атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Если представить ядро атома в виде макового зернышка, то атом будет размером в несколько десятков метров, но даже при таком увеличении мы не сможем рассмотреть электроны, настолько они малы по сравнению с ядром. В ядре сосредоточена почти вся масса и «вещество» атома.

Что же собой представляет остальное пространство, занимаемое атомом? Это и есть вакуум. Получается, что все, что нас окружает, в том и числе и мы, состоит в основном из вакуума. Само вещество занимает лишь ничтожную часть. Но как трудно себе представить, что все состоит почти из «ничего».

Поэтому физики определяют вакуум, как особый вид материи и называют его «физическим вакуум».

Таким образом «ничего» превращается в «нечто» со своими особыми свойствами. Одним из таких свойств является энергия вакуума.

Если человечество пока добывает энергию из того, что называется веществом, то можно представить себе, сколько можно получить энергии из физического вакуума. Физики Р. Фейнман и Дж. Уиллер представили, и, оказалось, что в вакууме одной электрической лампочки энергии достаточно, чтобы довести до кипения все океаны Земли.

Для получения вакуумной энергии предполагается создавать установки с избыточным энергобалансом. Это значит, что полученная энергия вакуума будет превышать энергию, затраченную на ее производство. [11]

 

1.6 Состояние вопроса на  сегодняшний день 

Общество переходит на совершенно другой уровень социального развития, и уже задумывается о том, какие следует использовать источники энергии. Все чаще и чаще люди думают про будущее своей планеты, и поэтому люди понемногу обращаются к альтернативным источникам энергии. Итак, к таким типам относится энергия солнца, ветра, энергия приливов и отливов и т.д. На сегодняшний день  в области применения альтернативная энергетика, можно встретить множество решений, с помощью которых энергии, полученной от солнца, ветра достаточно для того, чтобы обеспечить небольшой коттедж или возможно несколько домов.

В связи с постоянным ростом цены на нефть дорожает и электроэнергия, производимая традиционным путем. Это привело к появлению и широкому распространению использования альтернативных источников энергии. Уже сейчас во многих развитых странах наряду с традиционными источниками электроэнергии широко используется энергия ветра, солнца, приливная энергия и другие источники так называемой возобновляемой энергии.

Также альтернативные источники энергии применяются при создании систем резервного энергоснабжения. В этом случае энергосистема подключена к центральной сети, но при отключении последней, энергосистема использует накопленную энергию, полученную с помощью ветрогенераторов, солнечных батарей или других альтернативных источников.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), установленная на открытой местности с высокой среднегодовой скоростью (а для ветрогенераторов умеренной мощности до 1кВт достаточно, чтобы среднегодовая скорость ветра была выше 2.5 -3 м/с) позволяет сэкономить до 700 кВтч энергии каждый месяц. Солнечные батареи также нашли широкое применение в средней полосе и на юге страны. Стоит сказать, что в России и на территории бывшего Советского Союза (Украина, Белоруссия, Казахстан) имеется высокий ресурс ветроэнергетики и солнечной энергетики, чем и обусловлен интерес к ветровой и солнечной энергетике.

  В настоящее время уже существует ряд технологий, таких как «Умный дом» или «Нулевой дом», которые опираются на использование альтернативных источников энергии. Идея проста: свободная энергия ветра, воды или солнца в сочетании с энергосберегающими технологиями позволяет обрести независимость от центральной энергосети и не платить за электричество.

  При использовании ветряков или солнечных батарей для выработки электроэнергии не происходит выброса парниковых газов, влияющих на глобальное изменение климата. Это позволяет получать дешевую электроэнергию сохраняя нашу планету зеленой [4,С.177-181].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА  АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

2.1 Ветровые электростанции

  Энергия ветра - технология применения ветра для выработки электроэнергии - представляет собой самый быстрорастущий во всем мире источник электричества. Энергия ветра производится массивными трехлопастными ветротурбинами, устанавливаемыми на самом верху высоких башен и работающими подобно вентиляторам, но в обратном порядке. Вместо того чтобы использовать электричество для получения ветра, турбины используют ветер для получения электричества.

  Ветровые установки являются одним из самых перспективных и одновременно экологически чистых способов выработки электроэнергии. Вместе с тем, энергия ветра относится к числу возобновляемых источников энергии. Возобновляемые ресурсы — природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.

  В общих чертах, устройство ветровой электростанции выглядит следующим образом. Ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт = 1 миллиону ватт) электроэнергии. В жилых домах, на телекоммуникационных станциях и в водяных насосах в качестве источника энергии применяются небольшие одиночные ветротурбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных районов, в которых отсутствует энергосистемы общего пользования.