Производство, передача и использование электрической энергии

В префектуре Агава, в городе Нои появилась солнечная  тепловая электростанция, производящая электроэнергию.

Известно, что еще  в 1979г. легкий одноместный самолет, оснащенный солнечными батареями, который  назывался "Солар Челленджер" и был изготовлен в США, благополучно пересек морской пролив между Францией и Англией, Кроме того, на электрическом автомобиле с солнечными батареями был совершен автопробег через весь материк Австралии.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. 
Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Простейший коллектор  солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с  циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного  использования.

 
 
Ветровая энергия.

…он слишком  непостоянен и не поддается контролю

К. Маркс (о  ветре)

Впервые энергия ветра  была использована, по-видимому, для  передвижения парусных судов, а позднее - для подъема воды и размола  зерна. Считается, что в Китае, Японии и Тибете первые ветряные двигатели  были построены более 2 тысяч лет  назад. Древние вавилоняне использовали их для осушения болот. В Египте и  на Ближнем Востоке строили ветряные водоподъемники и мельницы. Но толком ветряной энергией стали заниматься гораздо позже. В России этот вид  энергии стал объектом для исследований только после революции. В связи  с началом электрификации сельского  хозяйства была организована работа по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). Уже в 1930г. была спроектирована, а в 1931г. сооружена в Крыму первая в мире ВЭС Д30 мощностью 100кВт. Станция  проработала до 1942г. и давала энергию  в электрическую сеть Севастопольэнерго. А в 1956г. было произведено более 9 тысяч ветродвигателей. За рубежом наиболее широкое применение ветроустановки нашли в Австралии, Новой Зеландии, Латинской Америке, Греции и др. Ветер – один из наиболее мощных энергетических источников, который при благоприятных условиях может быть широко использован в народном хозяйстве. Он возникает вследствие постоянной циркуляции перемещения воздушных масс в атмосфере, вызванной неравномерным нагревом солнцем земной поверхности.

Ветер - даровой энергетический источник. Поэтому у некоторых  еще бытует мнение, что и энергия, полученная с помощью ветродвигателей  тоже практически "дешевая". Особенность  ветра как энергетического источника  заключается в его непостоянстве, большой изменчивости скорости, а  отсюда и энергии (в силу ряда метеорологических  факторов (возмущение атмосферы, изменение  солнечной активности и количество тепловой энергии, поступающей на землю), а также из-за влияния рельефных  условий в данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону). Несмотря на несколько  большие капитальные вложения ветроустановки экономичнее тепловых установок вследствие низкой эксплуатации расходов (затраты на них меньше в 6 раз). Отсюда затраты окупаются за 1-1,5 года. Кроме того, срок службы ветроагрегатов (относительно тихоходных машин) значительно больше, чем у тепловых двигателей. Поэтому удельные затраты метала на единицу выработки за весь срок службы, а также амортизационные отчисления у них меньше.

Развитие ветроэнергетики  путем строительства ВЭС зависит  от того, как быстро удастся снизить  стоимость и металлоемкость двигателей, повысить их надежность. Для этого  применяются железобетонные опоры, неметаллические лопасти, легированная сталь и легкие сплавы. Чтобы ВЭС  стали выгоднее конкурирующих установок  капиталовложения в их строительство  нужно снизить на 25-30%.

В числе причин, обусловивших стремление к расширению использования  энергии ветра:

• быстрый рост потребности в энергии при ограниченных запасах жидкого и твердо топлива и потенциальных гидроэнергетических ресурсов;
• резкое повышение цен на минеральное топливо;
• большие капиталовложения при сооружении тепловых и гидравлических электростанций (возрастают с учетом затрат на передачу энергии, которые весьма значительны потому, что приходиться обеспечивать энергией все более удаленные от линий передач, рассредоточенные и менее мощные потребителей);
• расширение возможностей использования угля, нефти и газа (в химической промышленности для получения синтетических материалов);
• значительные достижения в области аэродинамики и механики, самолетостроения и химии, электротехники и др. позволяют создать более совершенные и экономичные ветроагрегаты.

Наиболее широко ветроустановки могут применяться в сельском хозяйстве для зарядки аккумуляторных батарей, опреснения минерализованных вод, откачки воды для питьевых нужд, аэрации водоемов. Кроме того, электрические ветроустановки малой мощности, наряду с зарядкой аккумуляторов, могут питать энергией маяки и бакены, защищать от коррозии газа - и нефтепроводы. Автономные ВЭС, работающие изолированно, могут использоваться ограниченно и только для питания энергией водоподъемных и мелиоративных установок. Установки предохраняют от замерзания в зимнее время поверхность водоемов, используемых для скота. Также существуют районы, где в хозяйствах ветроустановки экономичнее использовать (пустыни, полупустыни, засушливые зоны).

  
Энергия Земли.

Издавна люди знают  о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного  шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях  вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик  многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана  колоссальна, она многократно превышает  мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании  энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у  людей возможностей обуздать эту  непокорную стихию. 
Энергия Земли пригодна не только для отопления помещений, как это происходит в Исландии, но и для получения электроэнергии. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт.

Биотопливо.

Соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое  масла (использованные, например, при  приготовлении пищи), а также животные жиры. Биодизельное топливо - это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива, это полностью сгорающее альтернативное топливо, которое производится из растительных материалов или биомассы, такой как сахарный тростник или пальмовое масло. Оно может использоваться в дизельных двигателях или смешиваться с обычным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

• он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;
• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);
• обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;
• увеличивает октановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;
• имеет высокую температуру воспламенения (более 100°С), что делает его использование относительно безопасным;
• его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в т.ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 миллиардов литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе.

Однако перспективы  у подобных автомобилей можно  признать радужными. Значительные средства, вложенные в научные исследования по использованию биологического топлива, постепенно начали приносить результат. Косвенным свидетельством этого  являются данные Национальной Лаборатории  по Изучению Возобновляемой ЭнергииNational Renewable Energy Laboratory: число выданных патентов на изобретения в этой сфере в 1998 году выросло в 25 раз по сравнению с уровнем 1981 года. Кроме того, заметно изменились настроения американских потребителей, многие их них серьезно рассматривают возможность приобретения более экономичного автомобиля, в том числе такого, который не использует в качестве топлива нефтепродукты.

Гидроэнергия.

Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Однако это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы вообще: земли выше плотин подтоплялись, ниже - падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т.п. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею “мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.

Детально разработаны  центробежные и пропеллерные энергоблоки  рукавных переносных гидроэлектростанций  мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При  поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования “мини-ГЭС” способны конкурировать с “макси”  по себестоимости киловатт-часа. Несомненным  плюсом является также возможность  их установки даже в самых труднодоступных  уголках страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной  лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.

Еще одной очень  перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно  созданная   геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность, которой ранее зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.

Энергия приливов и отливов.

Несоизмеримо более  мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Подсчитано, что  потенциально приливы и отливы могут  дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года - на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

На сегодняшний  день ПЭС уступает тепловой энергетике: кто будет вкладывать миллиарды  долларов в сооружение ПЭС, когда  есть нефть, газ и уголь, продаваемые  развивающимися странами за бесценок? В тоже время она обладает всеми  необходимыми предпосылками, чтобы  в будущем стать важнейшей  составляющей мировой энергетики, такой, какой сегодня, к примеру, является природный газ.