Нетрадиционные источники энергии

               МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ И ЭКОЛОГИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

«Нетрадиционные источники энергии»

(Реферат)

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы № 125-1

Татибаева Зарина

Проверил:

ассистент

Вешкурцева С.С.

 

 

 

Тюмень – 2014

Содержание

 

Введение 3

Энергия ветра 3

Энергия солнца 7

Энергия океана 8

Геотермальная энергия 10

Экология и нетрадиционные источники энергии 18

Заключение 24

Список литературы 25 
Введение

Целью данной работы является выяснения причин малого использования нетрадиционных источников энергии.

 

Развитие нашей цивилизации сопровождается увеличением потребностей человечества в энергии. При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.

В настоящее время известны следующие виды возобновляемых источников энергии: солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, энергия градиент-солености, энергия эффекта запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергетика, микро-ГЭС

Рассмотрим  наиболее перспективные в настоящее время  альтернативные источники энергии.

Энергия ветра

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места. В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры. Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу –

на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом

континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами. Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата. Энергия ветра огромна, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляет 170 трлн. кВт*ч в год. Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение.

Экономические аспекты использования энергии ветра

Возможности быстрого развития ветроэнергетики в условиях недостатка бюджетных средств демонстрирует в последние годы Индия. В 2000 году она вышла на пятое место в мире, обогнав Нидерланды, Италию, Великобританию. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии от ВЭС в ряде индийских штатов снизилась до 5-6 цент/кВт•ч. Правительство Индии планирует увеличить долю вырабатываемой энергии от ВЭС в 2010 году до 5 %, а в 2020 году — до 10 %. В России тоже есть опыт установки сетевых ветрогенераторов, в Калмыкии, за Уралом, на Дальнем Востоке, но не очень удачный. При установке промышленного ветряка проводятся исследования – мониторинг ветров, для правильного определения места размещения и модели ветроустановки.. Это подчас в расчет не берется. Сейчас РАО ЕС проводит эксперимент в Калининградской области. На средства гранта правительства Дании там установлено 20 ветряков общей мощностью 5,1 мВт. Планируется увеличить их количество, расположив ВЭС на шельфе Балтийского моря.

Недостатки ветровых энергоустановок

Основным недостатком ветроэлектростанций, на сегодняшний день, является их высокая стоимость, которая определяет высокую цену1 кВт\ч электроэнергии, полученной от ветрогенератора. Другим немаловажным минусом является то, что ни одна система альтернативной энергетики не может гарантировать постоянного электроснабжения. Даже если присоединить к ветряку аккумуляторную станцию, она не застрахует нас от штиля задержавшегося на несколько дней. С экологической точки зрения, чистая энергия ветра не такая уж и чистая. Ветрогенератор это все-таки машина, имеющая свои плюсы и минусы. Ветряки, особенно промышленные, большой мощности, шумят, создают низкочастотные колебания, мешают полетам птиц, а также отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Энергия солнца

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км ! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. 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. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км , требует примерно 10 тонн алюминия. Доказанные на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17 10 тонн

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, изготовление 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.

Энергия океана

Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс

планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м). Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения

(λ >10 мкм) переизлучается, а частично  передается в атмосферу теплопроводным  пограничным слоем и вследствие  испарения. Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° с.ш. до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями [2.9]: длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %;

передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испаре-

ние 54 %.

За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энер-

гия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с.

ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш.

вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности

океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и

около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.

Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане

и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %;

расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии

рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно

0,02 % всей энергии воспринятого  солнечного излучения идет на  образова-

ние продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.

Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей

из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков

те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно

трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различ-

ных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в тре-

буемые для хозяйственной деятельности виды энергии.

Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) вы-

полнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей раз-

личных океанических источников энергии за пять лет – с 1977 по 1982 г. Со-

ответствующие данные приведены на диаграммах рис. 2, на которых от-

мечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихо-

ван). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и

экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использо-

ванию энергии оказались ниже.

 

 

 

Рис.2. Распределение океанских источников энергии по мощности (пра-

вые столбцы – по оценкам 1977 г. [1.89], левые – по оценкам 1982 г. [1.81]).

 

Огромные количества энергии можно получить от морских волн.

Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квад-

рату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют

длиннопериодные (T ≈10 с) волны большой амплитуды (a ≈2м), позволяю-

щие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.

Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывает-

ся для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий

тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превы-

шает величину половины длины волны λ /2.

 

Геотермальная энергия

- в дословном переводе значит : земли тепловая энергия.

Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры , имеет очень высокую температуру. 
Если учесть ещё и теплоёмкость пород Земли, то станет ясно , что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. 
В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы ( островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы) 
Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено. 
Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. 
"Стоимость топлива" такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых (то есть, с температурой гораздо выше 100oС ) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара. 
Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с