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


  • ...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


  • 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


  • 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


  • Если внимательно присмотреться к рынку многофункциональных преобразователей, то даже не смотря на всемирный спад и уменьшение продаж, многие производители не перестают выступать новые инверторы. Отчасти подобное связано с тем, что компании стараются привлечь внимание покупателей, частично из-за применения последних технологий.
    Несмотря на то, что источник бесперебойного питания купить можно в любом магазине, новинки не так быстро достигают конечного потребителя.



  • Сначала приведем высказывание российского геофизика Е.П. Борисенкова о прошлом человечества:
    «Причины гибели или упадка некоторых цивилизаций, а также многие неблагоприятные социальные явления в период средневековья так же, как и в древней истории, были связаны с экологией.
    Если мышление человека античности в ряде случаев было настолько эгоистичным, что, несмотря на свои выдающиеся по тому времени научные и естественные познания, он не думал о связи между лесом, водой, почвой и последствиями своей деятельности, то и в период средневековья человечество ушло от этого уровня понимания не очень далеко».

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Ветры бывают самые разнообразные: это и дующий десятки минут легкий бриз, и глобальные ветра — но все они существуют за счет солнечного нагрева планеты. Важными факторами влияния на атмосферную циркуляцию воздуха являются разность обогрева между экватором и полюсами, а также вращение нашей планеты, называемое эффектом Кориолиса. Сезонные колебания в скорости и направлении ветра являются результатом сезонных изменений из-за относительного наклона оси вращения Земли к Солнцу, которое, в свою очередь, изменяет паттерны разности обогрева. Ежедневные различия в обогреве атмосферы вызваны различным нагревом локальных областей поверхности земли, например, суши и океана. Еще движение воздуха осложняется целым рядом факторов глобального масштаба, таких как вращение Земли, а также сушей, горными хребтами и холмами, растительностью, океанами, морями и озерами. Из-за трения о поверхность земли, растительность и здания скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью земли.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Еще с незапамятных времен люди использовали энергию ветра.
    Первоначально человек научился преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока (ветра) в механическую. Появилось огромное разнообразие ветряных мельниц, значительно облегчивших жизнь людей того времени.
    Идея ветрогенератора для выработки электрической энергии с использованием энергии ветра появилась чуть более 100 лет назад.
    Пытливая мысль изобретателей создала огромное разнообразие конструкций ветроустановок:
    — по расположению оси вращения лопастей (горизонтальная, вертикальная, наклоненная);
    — по количеству лопастей (одна, две, три и более);
    — по мощности (от десятков Ватт до нескольких МВатт);
    — по форме лопастей, по конструкции генераторов и т.д.

    • 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


  • ...Возможность установки ветрогенераторов также зависит от климата, а конкретнее – от средней скорости ветра в данной местности. Трудно спрогнозировать, каковы будут скорость и направление ветра в определенный момент. Но если рассматривать большие временные промежутки, соизмеримые со сроком эксплуатации ветряка, то можно довольно точно сказать, что, например, в течение года в месте его установки будет 4000 часов со скоростью ветра более 4 м/с, что обеспечит гарантированную генерацию, условно говоря, 1000 КВт·ч в год. В частности, у нас средняя скорость ветра составляет около 5 м/с, что вполне пригодно для получения ветровой энергии, так как рекомендуемая скорость ветра для этих целей 4 м/с и более.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3