Проблемы энергетики и будущее человечества. Часть 2

Вс, 08/16/2015 - 23:46

Схема работы солнечной электростанции (СЭС)

Одна из схем работы приливной электростанции

Действующая Кислогубская приливная электростанция (Россия)

Саяно-Шушенская ГЭС — крупнейшая по установленной мощности электростанция России



Трудно что-либо предвидеть, а уж особенно — будущее.
Н. Бор

7. Возобновляемые энергоресурсы

Перечень экологически чистых источников энергии приведен в табл. 7. Рассмотрим их подробнее.

Солнечное излучение. Солнце — основной источник энергии на планете. В полдень на низких широтах плотность потока энергии солнечного излучения близка к 1 кВт/м²,, в среднем по освещенной части земного шара — 350 Вт/м². Потенциальный ресурс энергии огромен. Ей соответствует мощность 6,7∙1016 Вт. Теоретически КПД преобразования энергии может достигать 93%. Сейчас он составляет 10…30%. КПД определяет технический ресурс, равный произведению КПД на потенциальный ресурс.

В настоящее время энергия солнечного излучения используется мало из-за относительно низких значений плотности потока энергии (100 — 1000 Вт/м²).
Разрабатываются проекты создания солнечных энергосистем на геостационарной орбите с мощностью 1…10 ГВт. Передачу энергии на Землю планируется осуществлять при помощи мощных электромагнитных пучков на длине волны около 5…10 см.

Типичная солнечная электростанция (СЭС) по расчетам автора может представлять собой следующее сложное инженерное сооружение. На геостационарной орбите (высота около 36 тыс. км) строится солнечная батарея, преобразующая энергию солнечного излучения в постоянный электрический ток, общей площадью 50 кв. км. Эта батарея способна производить мощность около 10 ГВт (а в перспективе при повышении ее КПД до 80% — 40 ГВт). Далее выработанную электроэнергию необходимо преобразовать в энергию сверхвысокочастотного излучения на длине волны, например, 5 см и передать на Землю в виде хорошо сфокусированного мощного электромагнитного пучка. Для этой цели необходимо соорудить преобразователь энергии, генератор электромагнитных колебаний, а также передающую антенну площадью около 0,2 кв. км (диаметром 0,5 км). Ширина пучка при этом составляет около 0,006°. Размер пучка на Земле примерно равняется 3,6 км.

Площадь приемной антенны (ректенны) должна быть около 10 кв. км. Далее принятую электромагнитную энергию необходимо преобразовать в привычную энергию электрического тока и передать ее к потребителю. Суммарный КПД при современной технологии невысок (порядка 10%), но теоретически может быть доведен до 50%.
На пути транспортировки энергии с орбиты на Землю ожидаются серьезные трудности. Одна из них связана с разрушением пучка электромагнитных волн в геокосмической плазме и атмосфере, в частности, за счет эффекта самовоздействия волн в плазме. Это налагает ограничение на максимальный поток энергии. По нашим оценкам, он не должен превышать 300 Вт/м², а мощность СЭС — 10 ГВт.

При создании и последующей эксплуатации СЭС, к сожалению, появятся свои экологические проблемы. Они заключаются в следующем.
Во-первых, для реализации проекта необходима индустриализация космоса. По расчетам автора, масса одной СЭС составит около 100 тыс. тонн. Одна мощнейшая ракета (типа ракеты «Протон») способна вывести на геостационарную орбиту груз массой около 10 тонн. Потребуется 10 тыс. рейсов. Одна такая ракета выбрасывает около 600 тонн продуктов сгорания (500 тонн в атмосферу и 100 тонн в геокосмос). Всего будет выброшено 6 млн тонн продуктов сгорания. Для сравнения укажем, что грузопоток самого крупного космодрома — Байконура — составляет около 3 тыс. тонн в год. Вот такие масштабы при создании только одной СЭС. Для обеспечения потребляемой сегодня мощности необходимо строительство нескольких тысяч таких станций.

Таким образом, индустриализация космоса приведет к серьезным необратимым и крайне нежелательным экологическим последствиям.
Во-вторых, вокруг ректенны, а также в атмосфере и геокосмосе необходимо создать своеобразную зону отчуждения. Площадь этой зоны на поверхности Земли может достигать 1000 кв. км, для всех СЭС — несколько миллионов квадратных километров (около 0,5% от площади Земного шара или 1,5% от всей суши).
По оценкам, цена 1 кВт•ч энергии в тысячи раз будет превышать нынешнюю цену.

Ионосферный МГД-генератор. Ионосферный магнитогидродинамический (МГД) генератор представляет собой природную электрическую машину постоянного электрического тока с напряжением около 105 В. МГД-эффект возникает за счет движения ионосферной плазмы (под действием ветра и электрического поля) в магнитном поле Земли.
Величина тока, текущего вокруг Земли на высотах 100…150 км, составляет примерно 2∙106 А. При этом мощность природной машины примерно равна 200 ГВт.
Без серьезных экологических последствий, по-видимому, можно использовать до 10% этой мощности. Главный недостаток данного источника энергии заключается в трудности технической реализации отбора энергии, в очень низких значениях плотности потока энергии и в неизученных возможных экологических последствиях.

Ветер. Причиной возникновения ветра служит неравномерность нагрева поверхности Земли, ее вращение, неровности ландшафта, границы раздела океан/суша и др. В энергию ветра переходит около 1% энергии солнечного излучения.
Оказывается, что плотность потока энергии пропорциональна кубу скорости ветра. Например, при скорости ветра, равной 2 м/с, плотность потока энергии составляет 5,2 Вт/м². При скорости ветра 20 м/с получаем, что плотность потока энергии достигает 5,2∙103 Вт/м².

Важно, что мощность ветровой электростанции (ВЭС) пропорциональна КПД, квадрату радиуса ветрового колеса и кубу скорости ветра. Эта мощность также существенно зависит от высоты центра ветрового колеса, поскольку скорость ветра увеличивается при увеличении высоты. Обычно КПД станции близок к 0,4 (максимальный КПД может достигать примерно 0,5). Например, при радиусе колеса, равном 50 м, скорости ветра, равной 20 м/с, мощность ВЭС составляет 16 МВт.

Другие материалы рубрики


  • Недавно в новостях услышал информацию о том, что весной 2010 г. городское население планеты превысило сельское и составляет 51%. В 2020 г. городское население уже будет составлять 57%.
    Вроде бы ничего интересного. Сухая статистика.
    Но за этой статистикой просматривается очень настораживающая тенденция, если учесть, что за этот период население Земли вырастет с 6,8 до 8 миллиардов человек.
    Урбанизация растет огромными темпами.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Вопрос смесевых технологий при производстве бензинов давно уже интересует технологов, экологов, энергетиков, автомобилистов и просто любителей всяческих новшеств и современных технологий. Несмотря на множество позитивных моментов, так же как и на наличие определенных недостатков, однозначности в выводах пока еще не присутствует, что оставляет обширные пространства для размышлений и убеждений, похвалы и критики.

    • Страницы
    • 1
    • 2

  • При минусовой температуре проблемы с запуском двигателя гарантированы. Это знает каждый опытный автомобилист, которому не раз приходилось подолгу просиживать в холодном салоне, пытаясь завести автомобиль. А вот о причинах этих самых проблем думает далеко не каждый водитель. Еще до того, как температура опустится ниже нуля, важно сменить все жидкости в автомобиле на незамерзающие. Это касается моторного масла, охлаждающей жидкости, жидкости в бачке омывателя. Нужно тщательно смазать стартер и прочие системы мотора, от этого также зависит степень прилагаемых для запуска двигателя усилий в сильный мороз.



  • Непредельные углеводороды в небольшом количестве (около 5%) являются практически единственным не содержащимся в природной нефти классом соединений, образующимся в заметных количествах при проведении процесса на кобальтовых катализаторах. Их содержание в нефти не нормируется, а их получение является одной из основных целей нефтехимической переработки природной нефти.
    Таким образом, по всем показателям, определяемым стандартом, СЖУ (синтетические жидкие углеводороды) могут быть отнесены к наиболее ценным сортам нефти. С экономической точки зрения наиболее рациональным использованием СЖУ была бы их раздельная транспортировка с промыслов как более ценного и дорогостоящего продукта, особенно с точки зрения отсутствия серосодержащих соединений и высокой концентрации легких (светлых) фракций.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Ситуация с термоядерной энергетикой сегодня довольно любопытна и имеет общие черты с начинавшейся некогда «космической гонкой». Открытие способа, открывающего доступ к неограниченному источнику энергии, казалось бы, уже «витает в воздухе». Уже всерьёз проектируются термоядерные электростанции. Уже почти видна финишная ленточка и вопрос лишь в том, кто успеет раньше. Руководители развитых государств ревностно следят за «успехами» конкурентов в этой области и боятся остаться «не солоно хлебавши». Эти страхи умело эксплуатируют крупные исследовательские центры, работающие по данной проблеме, добиваясь щедрого финансирования. Вот-вот и пресса возвестит об открытии века...



  • В начале нового тысячелетия почти весь мир столкнулся с новой, весьма болезненной проблемой — истощением топливных запасов планеты. Ученые с каждого угла кричали, что через 30 лет на земле не останется ни капли нефти. Но прошло уже 10 лет, и эти крики понемногу улеглись. Были найдены новые месторождения в Саудовской Аравии, в России разведали новые, огромные запасы сибирской и заполярной нефти. Единственная проблема — добраться до них, но учитывая сегодняшнюю стоимость «черного золота» на мировом рынке, это не будет составлять особого труда.
    Но беда, как известно, не приходит одна. С топливной проблемой пришла проблема загрязнения окружающей среды обитания человека. Продукты сгорания бензина и дизтоплива стали настолько насыщать атмосферу Земли, что экологи забили тревогу. Их главный девиз — «Парниковый эффект!» К сожалению, они до сих пор не могут определиться, чем он грозит нашей планете — глобальным потеплением или новым ледниковым периодом. Впрочем, одно не исключает другое. Сначала довольно сильно потеплеет, арктические льды растают, опять понизят температуру, но настолько сильно, что 2/3 суши (по самым пессимистическим прогнозам) покроется снегом и льдом.
    Что же делать? Отказаться от автомобильного транспорта и вообще от использования нефти и нефтепродуктов? В данный исторический отрезок времени это даже не теория, а какая-то фантазия Гринписа, если не сказать больше. Но нам надо как-то сберечь природу и при этом не нанести вреда экономике, как в мировом масштабе, так и в масштабе отдельной страны. И тут, к огромной радости почти всех экологов (почему почти — будет сказано ниже) на мировую топливную арену семимильными шагами выходит новое горючее — биодизель.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...После более чем столетия нескончаемых усовершенствований двигатель внутреннего сгорания все еще имеет коэффициент полезного действия около 16%. КПД всех тепловых двигателей ограничено циклом Карно. Теоретически, даже при идеальных условиях тепловой двигатель, используемый для приведения в движение автомобиля или электрогенератора, не может преобразовать всю тепловую энергию в механическую. Некоторая часть тепла теряется. В двигателе внутреннего сгорания тепло подается от источника с высокой температурой (Т1), часть энергии преобразуется в механическую и оставшаяся часть выбрасывается при низкой температуре (Т2). Чем больше разность между этими температурами, тем выше КПД двигателя...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Чтобы получать тепло из снега, дождя и, что реже, града, нужен АТМОТЕРМ. Это устройство относится к стационарным приборам для нагревания текущих сред, использующий при прохождении данного процесса тепловой эффект экзотермической реакции образования гидроксида кальция из СаО, которая проходит при утилизации снежного покрова на месте его образования.
    Область применения устройства – генерация тепловой энергии для обогрева стен жилых и нежилых помещений, используя атмосферные осадки.
    Исследуя решения в данной области, мы не найдем наверняка устройства, объединяющего в себе функции переработки атмосферных осадков и обогревателя, работающего без подвода электроэнергии, при этом являясь таким экономичным, как атмотерм (экономичность смотрите дальше). Решения, предлагаемые другими авторами (смотри ниже) имеют ряд недостатков: потребляемость большого количества электроэнергии, узкая направленность технологий – только утилизация снега или только генерация тепловой энергии, сложность устройства, лежащее в наличии большого количества комплектующих компонентов, таких как ИК-излучатели и другие подобные устройства.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Нефте- и газодобыча уже в течение многих лет — ведущие отрасли российской экономики. В иные периоды они давали до 50% поступлений в федеральный бюджет. Это стало возможным только после введения в эксплуатацию крупнейших месторождений Западной Сибири. Поиск месторождений, ставших открытием века, стоил огромного труда. Основной вклад в него внесли сибирские геологи.
    Чтобы понять, где и как искать нефть, — а ее считают самым труднодоступным богатством планеты, — надо знать, как она образуется. В 1932 году была опубликована классическая работа основоположника советской нефтяной геологии Ивана Михайловича Губкина (1871-1939) «Учение о нефти», которая сыграла огромную роль в развитии представлений о происхождении нефти и формировании ее залежей. Он сформулировал четыре этапа образования нефтяных запасов, которые и сегодня лежат в основе научных воззрений о процессах нефтеобразования.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Многие десятилетия неизменным элементом пейзажа промышленной нефтедобычи являлись грандиозные факелы, в которых сгорал попутный газ — неизбежный спутник нефтедобычи. Громадные шлейфы дыма простирались на десятки и сотни километров и были прекрасно видны даже из космоса. Так было долго и казалось, что так будет всегда. Но все меняется в этом мире, и иногда — в лучшую сторону.

    • Страницы
    • 1
    • 2