Возобновляемые источники энергии

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина»

Реферат на тему

«Возобновляемые источники энергии»

Выполнил:

студент гр. 1-8

Панкратьева А.С.

Проверил:

преподаватель

каф. ТОТ

Созинова Т.Е.

Иваново

2010

Содержание

Введение

1. Энергия ветра

1.1 Происхождение ветра

1.2 Характеристики ветра

1.3 Системы преобразования энергии ветра

1.4 Экологические аспекты использования энергии ветра

1.5 Экономическая эффективность использования энергии ветра

2. Энергия волн

2.1 Характеристики волн

2.2 Использование энергии волн

2.3 Экологические и экономические вопросы использования волновой энергии

3. Разница температур в океане и между океаном и атмосферным воздухом как источник энергии

3.1 Разница температур в океане

3.2 Использование разницы температур воды и воздуха

3.3 Взаимодействие с окружающей средой установок, преобразующих термальную энергию воздуха и воды

4. Энергия приливов и отливов

4.1 Происхождение и виды приливов

4.2 Энергия и мощность прилива

4.3 Приливные электростанции

Заключение

Список литературы

Введение

Возобновляемыми энергоресурсами называют целую гамму энергетических ресурсов, основной характеристикой которых является то, что они постоянно возобновляются, не смотря на их использование. Кроме энергии приливов и отливов, все возобновляющиеся энергоресурсы получают подпитку от солнца - практически единственного источника энергии на нашей планете.

Структура нашей планеты достаточно сложная включает литосферу, гидросферу и атмосферу, из которых каждая обладает специфическими качествами и по разному реагирует на воздействие солнечной радиации. Наряду с неравномерным распределением солнечного света по земной поверхности всё это вызывает разницу в давлении, температуре, химическом потенциале и уровня солености воды. Эти различия, поддерживаемые солнечным излучением, и есть потенциальные источники энергии. В естественных условиях эти различия постепенно сглаживаются вследствие необратимого рассеивания, и какая-то определенная часть энергии, в конечном счете, уходит в космос.

Использование возобновляющихся источников энергии, по сути, есть вмешательство в процесс распределения солнечной энергии и использование этой энергии на нужды человека. К счастью в большинстве случаев между поглощением солнечной энергии тем или иным объектом и её выделением в космос в виде инфракрасных излучений проходит достаточно много времени. Это дает возможность воспользоваться выше упомянутой энергией.

Так как Земля находится в среднем на расстоянии 150 млн. км от Солнца, только малая часть радиации, зависящая от угла падения, попадает на Землю. Однако даже это количество оказывается достаточно большим и поддерживает практически все процессы, происходящие на Земле, включая жизнь.

Конкретное количество энергии солнечного излучения, а именно количество солнечной энергии, поступающей за 1 сек на поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно солнечным лучам за пределами земной атмосферы, так называемая солнечная постоянная, составляет около 1340 Вт/м². Общее количество солнечного излучения, попадающего на Землю составляет около 180Ч10¹⁵ Вт, в то время как в год это составляет 60Ч10²³ Дж. Это в 15 тысяч раз больше, чем потребляемая человечеством энергия за год (около 4Ч10¹⁰ Дж в год).

Но не всё излучение достигает Земли как написано выше. Примерное разделение входящей радиации показано на рисунке. Вся энергия, пребывающая на Землю, за исключением малой части, возвращается в космос. Однако между поступлением энергетического потока и его возвращения в космос может существовать определенный временной промежуток, возникающей вследствие ряда преобразований солнечной энергии. Часть этой энергии, как показано на рисунке, мгновенно отражается обратно в космос облаками. Значительная часть энергии, достигшая поверхности земли, затрачивается на испарение воды. Испарившаяся вода поступает в атмосферу и через какое-то время возвращается в виде дождя, росы и снега, что в свою очередь вызывает к жизни речные потоки. Энергия этих потоков в конечном итоге рассеивается. Другая часть энергии поглощается сушей, океанами, морями и атмосферой.

Это поглощение не постоянно от места к месту в течение дня и ночи, что вызывает ветер, океанские течения, приводит к разнице температур между сушей и морем и т.д. И опять же, с течением времени эти потоки теряют свою энергию из-за трения, температурного распределение уравнивается в процессе теплообмена и конвекции, и запас относительной энергии рассеивается. Достаточно малая часть солнечного излучения (менее 0,1%, не показанного на рисунке) тратится на фотосинтез наземными и водными растениями. Этот запас энергии хранится в тканях растений и возвращается обратно в ходе естественных процессов после их смерти.



Распределение солнечной энергии:

а - энергия, отражаемая облаками; б - энергия, поглощаемая атмосферой; в - энергия, достигаемая земной поверхности; г - энергия, выделяемая землёй; д - энергия, выделяемая океаном и расходуемая на испарение; е - суммарная энергия, излучаемая в космос

Всем известно, что по законам термодинамики, объект может представлять собой источник полезной энергии при условии, что он не находится в равновесии с окружающей средой. Подпитываемая солнечным излучением, наша окружающая среда никогда не находится в состоянии равновесия. Излучение приводит к возникновению различий разного рода, например температура и давление. Они могут рассматриваться в качестве источника энергии, подпитывающихся излучением Солнца.

Это справедливо для приливов, вызываемых гравитационным взаимодействием между Луной, Землёй и Солнцем.

В этом реферате я дам обзор различных способов добычи полезной энергии, используя существующую в природе разницу различных параметров. Все эти потенциальные источники энергии возобновляемы. Это значит, что когда мы превратим их энергию в полезную, получающаяся относительная разница будет скомпенсирована солнечным излучением при гравитационном взаимодействии Земли, Луны и Солнца.

1. Энергия ветра

Так как ветер - это поток воздуха, распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может рассматриваться в качестве источника энергии. Кинетическая энергия единицы воздушной массы пропорциональная квадрату скорости ветра, а удельная мощность, переносимая ветром через единицу площади, пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому главной характеристикой ветра как источника энергии является его скорость.

1.1 Происхождение ветра

Неравномерность распределения солнечного излучения по всему земному шару, различие в течение дня и ночи и различные физические характеристики морской воды и суши приводят к неоднородности атмосферной температуры и давления, что приводит к появлению ветра. Более или менее широкомасштабная и постоянная циркуляция воздуха, вызываемая разницей в температурах, происходит между экваториальными регионами и более высокими широтами. Эта разница вызывает движение воздуха в верхних слоях атмосферы от экватора к северу и югу, а в нижних - в обратном направлении. Действующая на эти потоки сила Кориолиса, отклоняет верхний поток к востоку, а нижний к западу, вызывая пассаты. Северо-восточные и юго-восточные пассаты являются одними из самых постоянных ветров на Земле со средней скоростью от 8 до 14 м/с. Скорость ветра имеет тенденцию к росту по мере приближения к южным широтам вплоть до 60-й параллели.

Существует так же более или менее постоянные ветра местного масштаба. Вблизи морского или океанского побережья можно наблюдать бризы, которые в дневное время дуют с моря на сушу, а ночью наоборот. Муссоны также являются постоянными ветрами, меняющими свое направление дважды в год. Они возникают из-за сезонных температурных различий между сушей и океаном. Более или менее постоянные ветра с достаточно большими скоростями существуют в горных областях на гребнях, в ущельях и теснинах. Однако, в общем и целом ветер имеет непостоянную природу, что следует принимать во внимание разрабатывая планы по использованию ветра в качестве энергоисточника.

1.2 Характеристики ветра

Для использования ветра в качестве источника энергии следует знать некоторые его характеристики. Ключевой среди них является скорость ветра V, так как кинетическая энергия единицы воздушной массы, движущейся со скоростью V равна U²/2. Тогда удельная мощность Р0, переносимая потоком ветра со скоростью V [м/с] через плоскость площадью 1 м², перпендикулярно направлению движения ветра, будет равна:

Р0 = р U³/2, [W m^-2],

где р, кг/м³ - плотность воздуха.

Это означает, что удельная мощность ветра пропорциональна кубу его скорости.

Всем известно, что ветер довольно изменчив. Его скорость меняется через короткие или более длинные промежутки времени и времена года. Важной характеристикой ветра является его турбулентность, проявляющаяся в хаотическом изменении скорости ветра, так что время от времени регистрируются достаточно большие его скачки (порывы). Также непостоянны характеристики ветра и из года в год.

Так как удельная мощность ветра главным образом зависит от его скорости, то для использования энергии ветра необходимо знать его поведение в конкретной точке. Сначала необходимо определить среднюю скорость ветра в выбранной точке, а затем отклонения от этой величины, их частоту и значения.

Скорость ветра в данный момент может быть выражена как:

U =U_m + U_f,

где U_m - средняя скорость, которая обычно определяется для десятиминутного интервала; U_f - изменяющаяся составляющая скорости ветра.

Замеры U_f в течение определенного отрезка времени дают возможность подсчитать средний квадрат колебаний скорости ветра U_f² отношение:

.

Информация о характеристике ветра собирается при помощи сети метеорологических станций. Однако их количество не достаточно, и они расположены далеко друг от друга и не позволяют получить информацию о том, что происходит между ними.

При установке ветровых станций, нужно иметь очень точные данные и для этого используют различные карты, графики, предоставляющие различные характеристики ветра в отдельных участках.

Вполне возможно использовать кинетическую энергию ветра при помощи некоторого искусственного приспособления, на которое будет действовать ветер, и которое будет поглощать часть его кинетической энергии для выполнения некоторой работы.

Эта идея успешно использовалась нашими предками для передвижения кораблей, вращения мельниц, которые мололи зерно и перекачивали воду.

В более поздние времена, с приходом электричества, энергия ветра стала использоваться для движения электрогенераторов, и для некоторых стран электричество, вырабатываемое ветром, занимает важное местно в энергетике.

Энергия ветра наряду с энергией речных потоков на протяжении многих столетий являлась основными источниками механической энергии. Сегодня существует тенденция к оснащению современных судов парусам и в качестве дополнительного источника движения с целью экономии обычного топлива.

1.3 Системы преобразования энергии ветра

Существует два типа механизмов, подъемные и тянущие, которые способны преобразовывать мощность ветра в роторе в полезную энергию. В первом типе механизмов движущей силой является аэродинамическая подъемная сила, возникающая вследствие взаимодействия потока воздуха с аэродинамической поверхностью лопасти

Схема, иллюстрирующая действие различных сил на лопасть

Этот же принцип действует и в самолетном крыле. Второй тип использует тянущую силу (см. схему).

В настоящее время в крупномасштабных ветровых двигателях используются высокоскоростные механизмы, использующие подъемную силу и разработанные для работы с сильным ветром.

Механизмы, основанные на силе тяги, чаще всего меньших размеров с многополярными роторами, их применяют при низкой скорости ветра.

Главная часть ветроэнергетической установки - ротор. У крупных машин обычно бывает две или три лопасти, которые крепятся к втулке. Остальные узлы ветродвигателя размещены в гондоле, которая расположена на вершине высокой башни. Высота башни обычно примерно равна диаметру ротора.

Большие установки в пределах сотен киловатт подключаются к общей энергосистеме. В местах с благоприятными характеристиками ветра целесообразно устанавливать сразу несколько ветровых установок, образуя при этом ветровую электростанцию, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Подобные электростанции обычно высоко автоматизированы и обслуживаются небольшим персоналом. К ветровой турбине могут быть подсоединены два типа электрогенераторов: синхронный и асинхронный. В синхронном генераторе в обмотке ротора возникает магнитное поле, четко сопряженное с вращающимся магнитным полем статора. Поэтому ветровая турбина, соединенная с синхронным генератором, должна вращаться со строго постоянной скоростью, определяемой частотой сети.

На роторе асинхронного генератора нет обмотки, он состоит из короткозамкнутой обмотки - медных стержней, расположенных внутри сердечника из железных листов. Магнитное поле в таком роторе вызывается вращающимся магнитным полем статора. Однако это возможно только при наличии разницы между скоростью вращения ротора и частотой вращения магнитного поля статора. В режиме генератора ротор вращается быстрее магнитного поля со скольжением при нормальной работе порядка 1%. Преимущество асинхронного генератора состоит в том, что он обеспечивает более мягкое соединение ротора ветродвигателя с генератором. Незначительные изменения в скорости ветра не вызывают механического напряжения в приводе трансмиссии, так как они могут быть скомпенсированы незначительными изменениями скольжения в случае с синхронным генератором ротор ветродвигателя не может изменить скорости своего вращения, и неизбежные порывы ветра вызывают нежелательное механическое напряжение во всех узлах трансмиссии.

1.4 Экологические аспекты использования энергии ветра

Как большинство неисчерпаемых источников энергии, энергия ветра предоставляется более предпочтительной в сравнении с обычными электростанциями, так как здесь отсутствует сжигание топлива и вредные выбросы в окружающую среду. Однако существуют другие аспекты, на которые следует обратить внимание, например противники ветровой энергии, заявляют, что высокие башни нарушают пейзаж. Но этот аргумент не так уж серьезен по своей сути. Но как было продемонстрировано на примере многих ветряных электростанций, как люди, так и птицы со временем привыкают к вращающимся лопастям.

Более серьезной проблемой может оказаться шум, производимый ветровыми установками. Были проведены соответствующие измерения, с помощью которых было определено расстояние, на котором шум от станции снижается до приемлемого уровня.

Во время работы кроме слышимых звуков турбины также издают звуковые волны частотой ниже порога слышимости. Этот так называемый инфразвук происходит от пертурбации воздушного потока во время прохождения лопасти вдоль башни. Так как скорость вращения ротора ветродвигателя обычно составляет 1 Гц, то для трехлопастного ротора частота примерно равна 3 Гц. Утверждается что инфразвук, распространяющийся на достаточно большие расстояния, может быть опасен для живых существ, так что эта проблема требует более детального изучения.

Существует также беспокойство, что громадные конструкции с их вращающимися пропеллерами могут вызывать помехи в телевещании на территории, прилегающие к станции.

1.5 Экономическая эффективность использования энергии ветра

Последнее десятилетие XX в. было отмечено бурным ростом числа ветровых установок во многих странах. В таблице представлены производственные мощности установок (МВт), включенных в общую энергосистему, в десяти ведущих в этой области странах на 1998 г.

Производственные мощности ветровых установок, МВт (на 1998г):

США - 1794;

Германия - 1567;

Индия - 820;

Дания - 820;

Голландия - 305;

Великобритания - 264;

Испания - 216

Швеция - 105;

Италия - 70;

Китай - 57.

На рубеже столетий установки по всему миру производили около 20 млн. кВт электричества. Более того, число новых ветродвигателей продолжает расти с достаточно большой скоростью. На это существует, по крайней мере, две причины. Первая - экологический интерес, и главный среди них - намерение сократить выбросы СО₂ в атмосферу. Вторая - экономические интересы, так как стоимость электроэнергии, производимой ветровыми установками, становится конкурентно способной с ценой на электричество, производимое традиционными атомными электростанциями, работающими на ископаемое топливе.

Стоимость электричества, произведенного ветровой турбиной или ветровой электростанцией, зависит от стоимости самой установки, коэффициента работоспособности и эксплуатационных расходов. С ростом производительности стоимость одного установленного киловатта ветровой установки постоянно снижается. Десять лет назад стоимость установки одного киловатта мощности равнялась примерно 5000 долл. А сейчас она снизилась до 1000 долл., и некоторые производители утверждают, что она даже ниже.

Существует также четкая тенденция к увеличению производственной мощности установок. В начале 1980-х гг., большинство ветродвигателей обладало мощностью 100 кВт. Следующим шагом было увеличение производственной мощности до 300 кВт, затем до 500 кВт, а устанавливаемые в последнее время системы имеют мощность 700-750 кВт. Ведущие производители изготавливают установки в несколько мегаватт, главным образом для использования в море, достигая при этом экономического эффекта от повышения масштаба, принимая во внимание стоимость возведения башни. Тенденция к росту производственных мощностей установок сохраняется.

Эксплуатационные расходы также снижаются с повышением мощностей, и обслуживание целой электростанции обходится дешевле, чем содержание отдельной ветровой установки.

Без сомнения, в скором будущем установки, преобразующие энергию ветра, будут способны конкурировать с электростанциями, работающими на ископаемом топливе, особенно в регионах с благоприятным ветровым режимом. Стоимость энергии, полученной от преобразования энергии ветра и стоимость установки одного киловатта, зависят от объемов производства энергии за год, а также от расходов по хозяйственно-техническому обслуживанию. Все эти три показателя постепенно улучшаются, тем самым, снижая стоимость энергии, производимой ветровыми турбинами до уровня, сравнимого со стоимостью электрической энергии, произведенной обычным способом.

2. Энергия волн

Существует несколько видов волн в зависимости от их происхождения и характеристик. Обычно когда речь идет об энергии волн, то что мы имеем ввиду, это ветровые волны, которые образуются из-за ветра, дующего через обширные океанские пространства. Эти волны могут рассматриваться в качестве важного источника энергии сами по себе. Ветер, в свою очередь, образуется из-за неравномерного распределения солнечной энергии по земной поверхности. Средняя плотность энергии волн в океане довольно низкая около 2,7 Вт/м², что значительно ниже средней плотности солнечной энергии. Однако при возникновении высоких волн энергия становится более концентрированной.

Есть и другой тип волн - прибой, который можно наблюдать в прибрежных зонах. Их энергия так же может рассматриваться в качестве источника энергии, преимущественно местного значения.

Кроме ветровых волн, есть и приливные волны. Их энергия так же велика, но они рассматриваются отдельно от ветровых волн. Энергию одиночных волн, известных как цунами практически невозможно обуздать.

2.1 Характеристики волн

Форма и поведение волн в значительной степени зависят от глубины моря. Волны, идущие в глубокой воде, имеют синусоидальную форму, и их поведение можно описать с известной долей точности при помощи теории линейных колебаний. Волны в мелких водах имеют более сложную форму, и их описание требует более тонкого подхода. Волны, рассматриваемые в качестве источника энергии, - это главным образом волны в глубоких водах.

Энергия, содержащаяся в волне, пропорциональна длине волны л и квадрату её высоты H. Самыми привлекательными волнами с точки зрения извлечения энергии, являются высокие волны, высотой около 2 м и длинной до 100-150 м. такие волны, возникающие в открытом океане вдали от берега, могут выработать от 50 до 70 кВт энергии на каждый метр фронта волны.

Со стороны, кажется, что волна распространяется с некоторой скоростью в направлении перпендикулярном фронту волны. Однако это только кажущееся движение. На самом деле частицы воды в волне движутся по кругу; частичка воды, расположенная на поверхности, вращается по орбите диаметром d_s равному высоте H (расстоянию между гребнем волны и впадиной). Чем глубже находится частица воды, тем меньше диаметр её орбиты dz уменьшается в соответствии с экспоненциальными законом:

d_z=d_s*e^-kz,

где k=2 так называемое «волновое число».

В зависимости от характера движения частичек воды энергия волны складывается из двух составляющих - кинетической энергии и потенциальной энергии. Кинетическая энергия связана с вращательным движением частичек воды, в то время как потенциальная энергия определяется поднятием частичек воды над средним уровнем моря. В синусоидальной волне обе эти величины равны.

Общую энергию волны Е [J m^-2] на 1 м волнового фронта в ширину и 1 м длины волны вдоль направления её распространения можно высчитать, зная с, кг/ м^-3 - плотность воды и g, м/с^-2 - ускорение силы тяжести.

Потенциал удельной мощности Р [W m^-2] волны может быть оценен по формуле:

Р=,

где ф, с - период волны.

Например, удельная мощность волны высотой 2 м с периодом в 10 с будет равна приблизительно 500 Вт/м^-2. Принимая во внимание обширные океанские просторы, можно подсчитать, что суммарная энергия океана достаточно существенна.

2.2 Использование энергии волн

Сложный характер поведения воды вполне можно разбить на следующие составляющие: периодические изменения уровня свободной поверхности в данной точке; изменение формы свободной поверхности: периодические изменение скорости частички воды в каждой точке; периодическое изменение давления в каждой точке.

На основе этого поведения можно предложить ряд принципов извлечения энергии из волны: использование разницы фазы колебания уровня воды в двух разных точках; использование разницы гидростатического давления в двух разных точках; использование наклона поверхности волны. Можно также воспользоваться одновременно несколькими из этих принципов.

Большинство предлагаемых и существующих способов извлечения энергии волн используют только потенциальную энергию волны, а именно движение воды в волне вверх-вниз и сопутствующее ему изменение давления. Существуют два основных принципа использования этого вертикального движения. Первый - механизм, сделанный таким образом, что одна часть системы поднимается на гребень волны, в то время как другая опускается во впадину или остается неподвижной, будучи прикрепленной к морскому дну. Эти механические движения могут быть использованы для приведения в движение электрического генератора (см. схему).



Схема колеблющейся «утки Солтера»

Рисунок иллюстрирует одну из таких систем, так называемую «утку Солтера». Второй - существуют пневматические системы, в которых поднимающийся и опускающийся уровень воды втягивает или выталкивает воздух в сосуд или из сосуда, погруженного в морскую воду так, что перемещающийся воздух приводит в движение воздушную турбину. Эта идея проиллюстрирована на рисунке.

Схема волновой пневматической системы:

1 - поднятие воды на гребень волны; 2 - поток воздуха во время подъема воды; 3 - воздушная турбина; 4 - воздушное выпускное отверстие; 5 - движение волны; 6 - снижение уровня воды во впадине; 7 - воздушное выпускное отверстие

Также были попытки использования колебаний гидростатического давления, производимых возрастанием и убыванием уровня воды, и кинетической энергии движения воды.

В большинстве случаев волновая энергетическая установка вырабатывает электричество, которое затем передается на берег по проводам. В некоторых проектах энергия волн используется для накачивания воды. Эти перекачивающие системы могут, например, быть объединены с установками, использующими разницу температур воды в океане, так как им необходимо поднимать большие очень объемы холодной воды из глубин океана на поверхность. Одна установка, использующая энергию волн, которую можно назвать широко распространенной, - более 700 экземпляров было установлено по всему миру - обеспечивает энергией навигационный буй.

Сооружение больших волновых энергетических установок упирается в ряд препятствий, и главное из них - непостоянство волн. Также есть проблемы общие для всех морских установок. Это проблема крепления, коррозия и эрозия оборудования в агрессивной среде морской воды, обрастание ракушками и водорослями, проблема транспортировки произведенного электричества и устойчивость к штормам.

Однако нельзя сказать, что мы испытываем недостаток в предложениях или проектах по использованию энергии волн, и каждый год придумываются сотни новых способов извлечения энергии волн. Без сомнения, настанет день, когда волновые энергетические установки станут конкурентоспособными и внесут свою лепту в мировой энергетический баланс, что в первую очередь касается отдаленных островов.

2.3 Экологические и экономические вопросы использования волновой энергии

До сегодняшнего дня волновые энергетические установки создавались только как небольшие пробные объекты, поэтому у нас недостаточно материалов, чтобы утверждать или опровергать их негативное воздействие на окружающую среду. Тем не менее, можно сделать несколько замечаний.

Любая установка, соединенная для извлечения энергии волн, влияет на гидродинамический режим в месте её работы. Это приводит к перераспределению океанских донных отложений с живущими там организмами и растениями. Они так же могут изменить прозрачность и мутность воды.

Однако кроме всех этих недостатков возведение волновой энергетической установки вблизи побережья может иметь и положительный характер. Сильные волны, бьющиеся о берег могут повредить портовые постройки, пляжи, имущество и т.д. Поэтому для защиты в прибрежной части сооружают дорогостоящие волнорезные конструкции. Волновая энергетическая установка будет поглощать часть энергии волн, снимая их разрушительное воздействие.

До настоящего времени волновые установки в основном рассматривались как малые сооружения для обеспечения энергией удаленных населенных пунктов и размещались в прибрежной части, преимущественно на островах. Обычное энергоснабжение в таких случаях в основном основано на дизельных генераторах, работающих на привозном, а значит дорогом топливе.

Так как больших коммерческих волновых энергетических установок не существует пока, невозможно сообщить какие либо достоверные сведенья об их конкурентоспособности, а именно - стоимость установки одного киловатта мощности и стоимость произведенного электричества. Кроме стоимости самого оборудования они будут так же в большей степени зависеть от волнового режима в выбранном месте, а именно - от характеристик волн и от их наличия в течение года. Требуемые гидрологические данные обычно недоступны. Тем не менее, существующие прогнозы и проектные расчеты дают некоторую информацию о возможной стоимости электричества, вырабатываемого волновыми установками. Согласно этим оценкам стоимость 1 кВт/часа превысит 0,16 долл., что дороже, чем электричество, произведенное любым другим неисчерпаемым источником энергии. Более оптимистические прогнозы были сделаны в 1994-1999 гг.: стоимость электроэнергии вырабатываемой серийными электростанциями, будет предположительно ниже, прядка 0,10-0,14 долл. За 1 кВт/час.

3. Разница температур в океане и между океаном и атмосферным воздухом как источник энергии

Неравномерное распределение солнечного излучения, глобальная циркуляция между низкими и высокими широтами, свойства поверхности, принимающей солнечные лучи, создают и поддерживают разницу температур между различными частями окружающей среды. Эти различия в температуре могут быть использованы для выполнения механической работы или производства электричества при помощи термодинамических (тепловых) циклов. Физическое тепло более теплой материи может быть предано некой рабочей жидкости для совершения требуемой работы, в то время когда более холодная субстанция будет использоваться в качестве теплоотвода в термодинамическом цикле.

3.1 Разница температур в океане

Существует множество примеров разницы температуры в природе. Можно говорить о разных температурных местах, расположенных в высоких и низких широтах, между верхними и нижними слоями атмосферы. Для получения энергии технически осуществимо, если оба объекта (теплый и холодный) располагаются недалеко друг от друга так, чтобы их можно было использовать в одной установке.

Такие условия существуют в двух случаях. Первый наблюдается в океанской воде, где температура верхних слоев в тропических широтах может достигать 25-28 градусов Цельсия. В том же самом месте температура на глубине составляет около 3-4 градусов.

В низких широтах, где поток солнечной энергии велик, верхний слой воды нагревается. Температура на глубине 50-100 метров почти всегда постоянна, благодаря температурной конвенции и перемешиванию в поверхностном слое. Ниже этого слоя температура воды резко падает и на глубине 1000 м температура уже составляет всего 4 градуса.

Второй случай, при котором использование разницы температур осуществимо, можно наблюдать в высоких широтах. Здесь температура воды в зимние месяцы близка к 0, в то время как температура воздуха до минус 40 градусов. Это разница температур поддерживается благодаря высокой теплоёмкости океанской и речной воды.

Проблема получения полезной энергии, в упомянутых различиях температур, является технической в такой степени, как и экономической. Общей чертой является то, что разница температур, которая может быть использована, очень мала и составляет всего 30 градусов Цельсия. Это значит, что КПД термического цикла составляет всего лишь несколько процентов, в то время как КПД электростанции составляет 55% и выше.

Существует два способа использования разницы температур воды в поверхностных и глубинных слоях в низких широтах. На рисунке показан открытый цикл.

Схема установки, преобразующей термальную энергию океана, работающей по принципу открытого цикла:

1 - труба для теплой поверхностной воды; 2 - испаритель мгновенного вскипания; 3 - труба слива теплой воды; 4 - турбина; 5 - генератор; 6 - холодильник; 7 - труба для сконденсированной воды; 10 - эжектор неконденсирующихся газов; 11 - глубоководный слой океанской воды

3.2 Использование разницы температур воды и воздуха

В высоких широтах зимой можно зарегистрировать достаточно большие температурные различия между океанской или речной водой, температура которой близка к 0 градусов Цельсия и холодным воздухом температурой до -30 градусов и даже ниже. Такие условия чаще всего встречаются на арктическом побережье Сибири, в отдельных местах Канады и в Антарктике. Эти температурные различия могут быть использованы в тепловых электростанциях для выработки электричества для отдельных районов, лишенных других источников энергии. Эта идея известна как преобразование термальной энергии воздуха и воды.

Идея использования термальной энергии воздуха и воды в чем-то схожа с идеей использования термальной энергии океана, рассмотренной выше. Однако есть и значительные отличия, делающие эту идею менее привлекательной, а значит менее развитой. Во-первых, вряд ли при преобразовании термальной энергии воздуха и воды будет использован открытый цикл, так как температуры, а соответственно и давление насыщения воды значительно ниже, чем при открытом цикле в системе преобразования термальной энергии океана, а поэтому требуется чрезвычайно большое по размерам оборудование. Во-вторых, в установке по преобразованию термальной энергии воздуха и воды в качестве теплоотвода будет использоваться воздух, тогда как в установках по преобразованию термальной энергии воздуха и воды в качестве теплоотвода будет использоваться воздух, тогда как в установках по преобразованию термальной энергии океана эту функцию выполняет холодная глубинная вода. А эта разница весьма существенна, так как теплообмен между холодильником и воздухом потребует больших объемов теплоотведенного вещества, что приведет к возрастанию площадей соприкосновения, равно как и росту энергозатрат на прокачку воздуха через холодильник. В-третьих, благоприятные температурные условия для преобразования термальной энергии воздуха и воды сохраняются только в течение определенного времени года, в то время разница температур в океане в низких широтах остается приблизительно одинаковой круглый год.

Самой сомнительной частью системы преобразования термальной энергии воздуха и воды является холодильник. Например, для электростанции общей мощностью 1 МВт с холодильником, КПД которого равен 2%, от рабочей жидкости воздуху должно быть передано около 50 МВт тепла. Если повышение температуры потока воздуха в холодильнике будет равно 5 градусов, а теплоёмкость воздуха приблизительно 1 кДж/кг/К, необходимый поток воздуха, проходящего через холодильник, должен быть не менее 10 тыс. кг/с, или около 10 тыс. м³/с. При скорости прохождения воздуха в районе 20 м/с это означает, что диаметр воздуховода приблизительно 25м.

Так как значительная часть производимого электричества будет расходоваться на работу компрессора-вентилятора, КПД электростанции окажется, скорее всего, не выше 1,5%.

3.3 Взаимодействие с окружающей средой установок, преобразующих термальную энергию воздуха и воды

Электростанция, использующая преобразование термальной энергии океана, даже средней мощности перемещает большие объемы поверхностной и глубинных вод. Например, станции на 10 МВт требуется тепловой поток поверхности воды равный 40 м³/с и приблизительно 20 м³/с холодной глубинной океанской воды. После использования в установке оба потока выбрасываются на глубине залегания - 60-70 метров, в этом случае не следует ожидать никаких серьезных экологических последствий. Однако при смешении большого количества холодной, богатой питательными веществами и лишенной бактерий воды из нижних слоев океана с поверхностной водой могут возникнуть температурные аномалии, что может привести к усиленному росту числа живых организмов и растений в верхнем слое океанской воды, где достаточно солнечного света для фотосинтеза. Чтобы избежать этого следует сбрасывать использованную воду на глубинах с такой же плавучестью и обеспечивать её полное перемешивание с окружающей теплой водой.

4. Энергия приливов и отливов

В отличие от источников энергии, обсуждаемых выше, приливы вызываются гравитационным взаимодействием между Луной, Землёй и Солнцем, причем наибольшее значение имеет взаимодействие между Луной и Землей. Гравитационное притяжение проявляет себя в поднятии земной поверхности вдоль прямой, соединяющие эти два небесных тела. На суше этот подъем едва заметен, в то время в океане он может достигать в высоту несколько метров. Сила гравитационного притяжения накладывается на центробежную силу, возникающая вследствие вращения системы Земля-Луна вокруг их общего центра притяжения. Он находится внутри земной сфер на расстоянии 4670 км от центра планеты.

Солнце вызывает такие же приливы, но так как расстояние между Землёй и Солнцем огромно, следовательно, приливы слабей.

4.1 Происхождение и виды приливов

Упрощенная схема взаимодействия Земли и Луны:

М - Луна; Е- Земля; СG- центр притяжения; 1- сила притяжения; 2 - центробежная сила

Взаимодействие Луны и Земли проиллюстрировано на рисунке. На стороне Земли обращенной к Луне сила притяжения (1) максимальна, а центробежная сила (2) минимальна. На этой стороне обе силы действуют в одном направлении (вовне) и складываются, вызывая повышение уровня воды в океане. На противоположной стороне земного шара сила притяжения направлена вовнутрь и минимальна, в то время как центробежная сила направлена вовне и максимальна. Наложение этих сил дает результирующую силу, которая направлена вовне. Таким образом, подъем уровня воды возникает с обеих сторон земного шара, и этот подъем - приливная волна - движется через весь океан вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Скорость вращения земной поверхности на экваторе составляет 1600 км/ч. Однако приливная она не может передвигаться с такой скоростью и отстает от лунного меридиана, перемещаясь со скоростью только 500 км/ч. Время этого запаздывания называют возрастом прилива.

В конкретном месте приливная волна может проходить два раза в сутки. Эти приливы называют полусуточными.

Однако этот упрощенный подход был бы верным, если бы Луна находилась в экваториальной плоскости Земли. обычно есть некоторое отклонение плоскости вращения Луны, вследствие чего прилив в конкретном месте наблюдается только один раз в день; этот прилив получил название суточного. В большинстве случаев приливные колебания уровня воды являются комбинацией двух этих типов. И если оба типа приливных колебаний играют важную роль, то такой прилив называют смешанным. Высота приливной волны зависит от положения Луны и Солнца относительно Земли.

Итак, прилив имеет достаточно сложную природу. Кроме взаимного положения небесных тел, он зависит от распространения и формы океанов на земной поверхности. Тем не менее, при помощи существующих теорий достаточно точно можно предсказать характеристики приливов, в любом месте, в любое время дня и года.

Высота приливной волны в открытом океане обычно составляет менее 1 м. Совершенно очевидно, что этого недостаточно для выработки энергии, но при вхождении приливной волны в залив или устье реки её высота при благоприятных условиях увеличивается до размеров, превосходящих в некоторых местах 10 м.

4.2 Энергия и мощность прилива

Силы, вызывающие прилив - это силы притяжения между Землёй и Луной и центробежная сила, возникающая вследствие их вращения вокруг их общего центра притяжения. Работа, выполняемая этими силами, преобразуется в механическую энергию приливной волны, которая складывается из кинетической и потенциальной энергии. Первая возникает вследствие движения воды в приливной волне, а вторая представляет собой потенциальную энергию водных масс, поднятых в приливной волне над средним уровнем моря. Этот мировой приток, или мощность прилива, по некоторым оценкам достигает приблизительно 5 млрд. кВт. В природе около половины приходящей энергии прилива передается твердому массиву земли, а остаток рассевается, главным образом при преодолении силы трения, когда приливная волна приближается к мелкому прибрежному шельфу.

Самыми привлекательными местами с точки зрения использования приливной энергии являются заливы и бухты. Поведение приливной волны, входящей в бухту, достаточно сложно и представляет собой наложение входящей волны на волну, отраженную от берега. Л. Бернштейн высказал мысль о том, что для получения общих сведений об энергии, которую можно извлечь из прилива при помощи приливной электростанции, следует использовать не настоящие характеристики приливной волны (которые будут изменены плотиной), а энергетический потенциал бассейна (где будет установлена станция) (Бернштейн, 1987). Для регулярных полусуточных приливов энергетический потенциал одного приливного цикла может быть вычислен как потенциальная энергия водной массы в бассейне при поднятии её центра притяжения на высоту, равную амплитуде волны. Р, МДж - работа, выполненная приливом за один полуцикл; А, м - высота приливной волны (расстояние между гребнем и впадиной приливной волны); S, км² - площадь бассейна; р=10,05 кН/м удельный вес морской воды; g, м/с² - ускорение силы тяжести.

Работа, выполняемая приливом за сутки равна 3,87 Р (3,87 - количество полуциклов колебаний приливной волны в день).

Годовое количество приливной энергии Е, кВт/час, полученное по формуле, равно:

Е= 1,97*10⁶А_m²S,

где А_{m -} средняя высота приливной волны за год.

В большинстве мест, подходящих для установки приливной электростанций характер приливов приближается к регулярным полусуточным приливам, а, следовательно, их энергетический потенциал может быть рассчитан по формуле, приведено выше. Однако существуют места, где наблюдаются смешанные приливы, и где суточный прилив будет наблюдаться так же, как и полусуточный. Для того чтобы это можно было учитывать, предлагается ввести показатель D, значение которого в большинстве случаев находится в промежутке между 0 и 4. Первое значение используется при полусуточных приливах, а последнее при суточных. Для смешенного типа прилива, включающего оба компонента, предлагается использовать линейную интерполяцию, приводящую данную формулу в следующий вид:

Е=1,97*10⁶ А_m²S*0,5(1+).

Формулы для определения годовой энергии приливного бассейна могут быть использованы только для самой приблизительной оценки энергии или мощности приливной электростанции, которую там установят. И следует снова сказать, что истинная характеристика приливной электростанции могут быть определены только исходя из реальных условий в бассейне, после того как его отгородят от моря дамбой.

4.3 Приливные электростанции

Согласно документам, люди начали использовать энергию приливов ещё в XI в. для получения энергии маленькие заливы отгораживались от моря дамбами, в которых были проделаны шлюзовые ворота. Ворота открывались приливным потоком, в то время как прибывающая вода заполняла бассейн, и закрывались во время отлива. Вода, оставшаяся в бассейне, использовалась во время отлива для приведения в движение различных механизмов. В XIX в. подобные установки использовались в Гамбурге для перекачки сточных вод, а в 1824 г. Лондонский Сити снабжался питьевой водой при помощи огромных водяных колес, установленных ещё в 1580 г. Под арками Лондонского моста, где они продолжали работать в течение 250 лет. И в наши дни в штате Новая Англия, США, существуют установки, использующие энергию приливов для приведения в движение лесопильной рамы.

Середина XIX века была отмечена большим количеством предлагаемых проектов и предложений по применению эн7ергии приливов. С развитием электричества приливная энергия стала рассматриваться в качестве ресурса для получения электроэнергии. Основные принципы использования энергии приливов остались прежними, но вырос масштаб установок, произошло существенное усовершенствование оборудования и были разработаны новые идеи и объединения приливных электростанций в единую энергосистему.

Выделяются деньги на постройку различного рода приливных электростанций на больших заливах или устьях рек, где наблюдаются высокие приливы. За этим следует постройка дамбы при входе в залив, для того чтобы отгородить бассейн от моря. В дамбы, которые в некоторых проектах достигают несколько километров в длину, вмонтировано большое количество турбин , так что суммарная мощность приливной электростанции может достигать сотен и даже тысяч мегаватт.

Что касается извлечения энергии, современные приливные электростанции схожи с гидроэлектростанциями. В некоторых случаях турбины приливной электростанции - в отличии от гидроэлектростанции - работают в в двухстороннем режиме: при потоке воды, направленном в одну сторону, когда прилив заполняет бассейн, и когда вода движется в другую сторону при опустошении бассейна. Такой режим работы называется двойным действием, или двойным эффектом.

Приливные электростанции по сравнению с гидроэлектростанциями имеют один серьезный недостаток, а именно - пульсирующий характер приливов, известный как непостоянство приливов. Энергетический потенциал прилива меняется не только с суточным чередованиями прилива и отлива, но также в связи с изменениями его высоты в течении лунного месяца, когда Луна переходит из сигизии в квадратуру. Например, в соответствии с проектными расчетами производительная мощность приливной электростанции в Кводди, США, будет возрастать с 30 до 70 МВт, затем снова снижаться до 30 МВт. Ещё более значительные изменения мощности будут происходить в ходе сигизийных приливов. Совершенно ясно, что такое положение вещей не устраивает потребителей электроэнергии, которые нуждаются в постоянном и не перебойном электроснабжении.

Было множество предложений относительно способов решения этой проблемы. Наиболее простым способом приведения объемов выработки энергии станцией в соответствие с потреблением является разделение бассейна на две или более секции (многоотсековая схема бассейна), накапливать некоторый объем воды, а затем использовать её по мере надобности, таким образом, сглаживая колебания уровня прилива. Это преимущество достигается за счет максимальной мощности станции, которая сокращается прямо пропорционально количеству секций.

Существует ещё один способ рационального использования приливной электростанции, когда она входит в крупномасштабную энергосистему, объединяющую электростанции различного типа: тепловые, гидроэлектростанции, атомные. В этом случае используется одинарный бассейн, и приливная электростанция производит максимальное количество энергии в соответствии с циклом прилива. Если в системе наблюдается избыток мощности, то в этом случае тепловая электростанция может снизить выработку электричества, экономя тем самым запасы ископаемого топлива; в случае аналогичного снижения объемов выработки энергии гидроэлектростанцией используется специальный верхний резервуар, в котором хранится воды.

Дальнейшее усовершенствование этой системы может быть достигнуто при использовании приливной электростанции в качестве запасника воды в перерыве между приливами. В такой схеме излишек производимой энергии тратится на перекачивание воды из моря в бассейн станции. В это время генераторы электростанции используются в качестве электромоторов, а её турбины работают в режиме насосов. Когда системе потребуется достижение пиковой нагрузки, накопленная вода будет выпущена через турбины электростанции, что позволит выработать необходимую дополнительную энергию. Достижение оптимального контроля над работой такой схемы - достаточно сложная задача, требующая учета реальных характеристик системы и особенностей приливной электростанции.

Сегодня по всему миру уже действует несколько приливных электростанций. Первой коммерческой проливной электростанцией является 240 МВт в Рансе (Франция), которая была ведена в эксплуатацию в 1967 году и до сих пор функционирует. За ней последовала пробная станция «Кислая Губа» в России, построенная в 1965-1968 гг. приливная электростанция в Анаполисе мощность 20 МВт была сооружена в Канаде в 984 году в качестве пробного проекта для будущей мощной электростанции. В течение 1960-х гг. в Китае был установлен ряд более мощных установок. Сейчас действуют 7 приливных электростанций суммарной мощностью в 10 МВт. Электростанция Цзянся мощность 3,2 МВт была сделана в Китае в 1986 г. Кроме этих действующих электростанций существуют ещё ряд проектов, для которых ведется поиск мест установки с подходящими условиями. Однако их сооружение обычно откладывается, главным образом по причине высоких капитальных расходов, которые делают цены на электричество, производимое приливными электростанциями, не конкурентно способными по сравнению с ценами на энергию, произведенную другими типами станций, особенно если принять во внимание низкие в последнее время цены на нефть.

Тем не менее конструкторские работы в этом направлении продолжаются, проявляются новые проекты, предлагающие новые более дешевые способы возведения приливных электростанций, и с развитием оборудования наблюдается тенденция к снижению затрат на их строительство и эксплуатацию. Они оказываются ещё более привлекательными, если принять во внимание то, что они являются экологически безопасными источниками энергии. Многие исследования также подтверждают, что сооружение приливных электростанций может оказаться выгодно с социальной точки зрения. Всё это говорит о том, что в ближайшем будущем мы станем свидетелями строительства новых мощных приливных электростанций во многих странах мира.

Заключение

Потенциал возобновляющихся энергоресурсов, питающихся энергией солнца и возникающих вследствие взаимодействия Земли, Луны и Солнца, огромен. Были разработаны различные технологии по извлечению и использованию их энергии, которые непрестанно совершенствуются, что повышает конкурентоспособность возобновляемых источников энергии по сравнению с традиционными. Большинство возобновляемых источников энергии являются экологически чистыми, что сегодня является явным преимуществом. Биомасса и энергия ветра уже сейчас играет немало важную роль в энергетическом балансе некоторых стран. Проекты по использованию энергии волн и преобразовании термальной энергии океана большей частью находятся на стадии разработки, и их использование ограничено несколькими экспериментальными установками. Энергия приливов уже сейчас используется на коммерческом уровне и обещает серьезное развитие.

Будущее возобновляемых источников энергии, обсуждаемых здесь, зависит от ряда факторов: рост энергопотребления, рост численности населения, цены на ископаемое топливо, общественное мнение по поводу развития атомной энергетики, экологические вопросы и множество других.

Список литературы

1. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. Знания об устойчивом развитии. 2005г Том 2 ред. Е.Е. Демидова, А.М Лильчук и т.д.

2. Вестник Российских наук: научный общественно-политический журнал. Том 76 №5. Статья Н. П. Лаверов «Топливо-энергетические ресурсы».