Альтернативные источники энергии. Грозовая электростанция

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Альтернативные источники энергии. Грозовая электростанция

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КЛАССИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

1.1 Виды классических источников энергии

1.2 Проблемы развития энергетики

2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.1 РАЗВИТИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

3. ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА МОЛНИИ

3.1 Грозовая электростанция

3.1.1 Молния как источник грозовых перенапряжений

3.1.2 Принцип действия грозовой электростанции

3.1.3 Преимущества и недостатки грозовой электростанции

3.2 Расчет грозовой электростанции

ВЫВОДЫ

ВВЕДЕНИЕ

Многолетние исследования показали - запасы многих видов органических источников энергии не бесконечны. Они истощаются с каждым годом в больших количествах в соответствии с их потреблением. Эти выводы привели к появлению множества вопросов в поиске новых источников энергии. Тем временем все источники энергии разделились на две основные категории. Все запасы существующего топлива для выработки энергии разделились на два основных типа:

- возобновляемые;

- не возобновляемые.

В связи с этим поиск новых месторождений и новых видов топлива в настоящее время играет главенствующую роль в обеспечении энергией весь мир и отдельные жизненно важные объекты. Однако новые месторождения также истощаются, а альтернативные источники энергии такие, как энергия ветра и солнца эксплуатируются лишь при благоприятных условиях и требуют немалых затрат в оснащении и эксплуатации. Это связано с их более высокой нестабильностью и изменением показателей эффективности в процессе работы.

Огромное преимущество альтернативной энергии заключается в “чистоте” получаемой и производимой энергии. Ведь она добывается из природных источников: волн, приливов/отливов, толщи Земли. Все природные явления и процессы насыщены энергией. Задача человечества заключается в ее изъятии и превращении в электрическую. Вопрос в том, что случится с Землей, когда энергия будет качаться тераваттами пока не беспокоит умы. Так что, можно сказать, что задача ясна. Осталось развивать данные отрасли.

1. КЛАССИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Добыча ресурсов Земли подходит к завершению. Ведь практически все органические источники топлива воспроизводятся очень медленно или совсем нет. При этом человечество привыкло лишь брать, но не восполнять затраченные ресурсы. Поэтому вопрос энергетического истощения Земли не особо взволновал мир, кроме общественности и разных зеленых организаций, которые лишь грозят пальцем, если бросил бумажку на улице или не потушил костер. Поэтому к настоящему времени энергетические корпорации решают задачу лишь в поиске новых месторождений. Однако, как известно, новые разрабатываемые месторождения ничего не меняют, а точнее ухудшают экологическую обстановку еще больше.

Можно сказать, что поиски новых источников идут размеренным шагом: выращиваются энергетические элементы, добываются новые ресурсы для производства энергии. Ведь они также просуществуют относительно недолго.

Энергетика находится на первом месте в употреблении и преобразовании энергии. От нее в решающей мере зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, истощение ресурсов планеты и экономику государств. Очевидно, что темпы потребления энергии в будущем не прекратятся и даже увеличатся. В результате этого возникают следующие вопросы:

- какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

- можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

- каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветре, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

Такой набор вопросов охватывает все сферы человеческой деятельности. Можно сказать, что в настоящее время задача экономико-экологического вопроса поставлена. Время действий.

1.1 Виды классических источников энергии

Все существующие виды энерготоплива в природе подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В отопительных приборах, для нагрева теплоносителя также применяется тепловое действие электрического тока. Некоторые группы топлива, в свою очередь, подразделяются на две подгруппы, из которых одна подгруппа представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это топливо называется естественным; вторая подгруппа - топливо, которое получается путем переработки или обогащения естественного природного топлива; это называется искусственное топливо.

К твёрдому топливу относят:

а) естественное твёрдое топливо - дрова, каменный уголь, антрацит, торф;

б) искусственное твёрдое топливо - древесный уголь, кокс и пылевидное топливо, которое получается путём измельчения углей.

К жидкому топливу относят:

а) естественное жидкое топливо - нефть;

б) искусственное жидкое топливо - бензин, керосин, дизельное топливо (солярка) мазут, смола.

К газообразному топливу относят:

а) естественное газообразное топливо - природный газ;

б) искусственное газообразное топливо - генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива (торфа, дров, каменного угля и др.), коксовальный, доменный, светильный, попутный и другие газы.

Все виды органического природного топлива состоят из одних и тех же химических элементов. Разница между видами топлива состоит в том, что эти химические элементы содержатся в топливе в разном количестве.

Элементы, из которых состоит топливо, делятся на две группы.

1 группа: это те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К подобным элементам топлива относятся углерод, водород и кислород.

2 группа: это те элементы, которые сами не горят и не способствуют горению но они входят в состав топлива; к ним относятся азот и вода.

Особое место от названных элементов занимает сера. Сера является горючим веществом и при горении выделяет определённое количества тепла, но ее присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.

Количество тепловой энергии, которое выделяет топливо при горении, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла (калорий), которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или при сгорании 1 м3 газообразного топлива, называется как теплотворная способность топлива или теплота сгорания топлива. Теплота сгорания различных видов топлива имеет широкие пределы. Например, для мазута теплота сгорания составляет около 10000 ккал/кг, для угля 3000 - 7000 ккал/кг. Чем выше теплота сгорания топлива, тем топливо ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива или для производства расчётов расхода количества того или иного топлива применяется общая единица измерения или эталон топлива. В качестве такой единицы принято топливо Московского угля, имеющее теплотворную способность 7000 ккал/кг. Эта единица называется условное топливо. Для производства расчётов и сравнения расходов топлива различной теплоты сгорания необходимо знать калорийность топлива. К примеру, при проектировании, когда необходимо сравнить расход угля с расходом мазута и целесообразность строительства угольной или мазутной котельной необходимо учесть поправочный коэффициент на калорийность топлива.

Огромное многообразие ресурсов планеты очевидно, но картина мира не особо меняется.

1.3 Проблемы развития энергетики

Развитие индустриального общества опирается на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и электрической энергии лежит, как было сказано выше, процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угля, нефти или газа, а в атомной энергетике - деление ядер атомов урана и плутония при поглощении нейтронов.

Добыча, обработка и потребление энергоресурсов, металлов, воды и воздуха растет с большими требованиями человечества, при этом их запасы стремительно сокращаются. Особенно остро стоит проблема не возобновляемых органических ресурсов планеты.

Не составляет никакого труда догадаться, что органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем.

Отметим также, что при сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5%, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Таким образом, даже сокращение потребления и экономичность полезных ископаемых не сможет помочь избежать энергетической катастрофы. Если в ближайшем будущем планета не станет непригодна для жизни, то критическая нужда в энергоресурсах обеспечена.

Выход остается в поиске и внедрении нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Огромную важность играет борьба с отходами и выбросами в атмосферу тонн вредных и смертельно опасных в больших количествах веществ и тяжелых металлов.

Как уже известно, сгорание органического топлива вредно для окружающей среды. В настоящее время разрабатываются системы и устройства очистки выбросов в атмосферу продуктов сгорания. Среди устройств можно выделить следующие:

- фильтры на соплах Вентури;

- металлические лабиринтные фильтры;

- волокнистые синтетические объемные фильтры из нетканых материалов.

Из существующих методов очистки существуют следующие:

- Адсорбционный метод.

- Метод термического дожигания.

- Термокаталитический метод.

Естественно такие средства стоят дорого. Кроме того, обслуживание систем требует наличия высококвалифицированного персонала.

2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Альтернативные источники энергии (АИЭ) в настоящее время являются наиболее существенным решением по отношению к производству электроэнергии из органического топлива. Альтернативная энергетика основана на преобразовании изначально экологически чистых компонентов, что в свою очередь, резко снижает вред производства энергии. К ним относится энергия:

- Солнца;

- ветра;

- приливов и отливов;

- морских волн;

- внутреннее тепло планеты и др.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии:

- Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т. ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

- Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

- Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Несмотря на это переход на АИЭ происходит плавно. Многие источники энергии устанавливают на определенной территории, и их эффективность зависит от благоприятных условий, времени и данных. Новинка всегда стоит гораздно дороже, чем укоренившийся продукт. Поэтому установка и эксплуатация стоит немалых затрат. Однако во всем мире уже довольно часто можно встретить ветряки или солнечные панели на крыше жилого здания, то есть АИЭ достигли массового применения, а это значит, что строительство в скором времени значительно снизит тарифы. Не стоит забывать про мегакорпорации и небольшие компании, которые существуют за счет добычи полезных ископаемых: нефти, газа, угля, и вряд ли они прекратят их добычу в силу спасения экологии планеты. Поэтому для успокоения общественности на “грязное” производство закупают различного рода очистные и фильтрующие системы. Но это лишь по большей мере единицы компаний и статьи в газетах и интернете.

2.1 Развитие альтернативных источников энергии

Основное достоинство АИЭ - это производство безвредной энергии. Значит, переход на АИЭ может изменить энергетическую и экологическую обстановку в мире. Энергия, получаемая с помощью АИЭ бесплатна.

Наиболее явными из недостатков медленного внедрения данной категории производства энергии являются: недостаточное финансирование и перебои в работе. Это связано с тем, что до сих пор их внедрение и производство является весьма дорогостоящим процессом. Новизна и недостаточная осведомленность для многих организаций также значительна. Многие производители предпочитают вредные и опасные для здоровья и окружающей среды электростанции в силу их надежности и готовности к полноценной работе, чем дорогостоящие и “капризные” системы производства энергии на возобновляемых источниках.

Перебои энергии являются существенным недостатком. Например, производство солнечной энергии возможно лишь в дневное время суток. Поэтому чаще всего вместе с альтернативными источниками энергии устанавливаются все те же вредные производства для компенсации энергоресурсов. При этом лишняя приобретенная энергия накапливается в аккумуляторных батареях.

АИЭ находятся на стадии значительного развития и внедрения. Многие страны уже перешли на них и добывают энергию в огромных количествах. Многие государства благодаря своему территориальному расположению активно используют АИЭ.

Суммарная установленная мощность ветрогенераторов в Китае на 2014 год составила 114763 МВт. Что же заставило правительство так активно развивать ветроэнергетику? Китай является лидером по выбросам в атмосферу СО2Планируется использовать в первую очередь геотермальную, ветряную, солнечную энергию. Согласно государственному плану, к 2020 г. в 7 районах страны будут построены огромные ветряные ЭС с общей выработкой в 120 гигаватт.

В США активно развивают альтернативную энергетику. Например, суммарная мощность американских ветрогенераторов США в 2014 г. составила 65879 МВт. США является мировым лидером по развитию геотермальной энергетики - направлению, использующему для получения энергии разницу температур между ядром Земли и ее корой. Один из методов использования горячих геотермальных ресурсов - УГС (усовершенствованные геотермальные системы), в которые вкладывает средства Министерство энергетики США. Их поддерживают также научные центры и венчурные компании (в частности, Google), но пока УГС остаются коммерчески неконкурентоспособными.

Можно также выделить такие страны по огромную влиянию АИЭ, как Германия, Япония, Индия и другие.

3. ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА МОЛНИИ

Одной из первой компанией по использованию энергии из грозовых облаков стала американская компания Alternative Energy Holdings. Она предложила способ использования даровой энергии путем ее сбора и утилизации, возникающей из электрических разрядов грозовых облаков. Экспериментальная установка была запущена в 2007 году и называлась “сборщик молний”. Разработки и исследования грозовых явлений содержат огромные скопления энергии, которые американская компания предложила использовать в качестве источника электроэнергии.

3.1 Грозовая электростанция

Грозовая электростанция, по сути, представляет собой классическую электростанцию, которая преобразует энергию молний в электричество. На данный момент грозовая энергетика активно исследуется, и возможно в ближайшем будущем появятся в больших количествах грозовые электростанции наряду с другими электростанции на базе чистой энергии.

3.1.1 Молния как источник грозовых перенапряжений

Грозовые молнии представляют собой электрические разряды, накапливающиеся в больших количествах в облаках. За счет потоков воздуха в грозовых облаках происходит накопление и разделение положительных и отрицательных зарядов, хотя вопросы по данной теме до сих пор исследуются.

Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках связано с тем, что данный физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов во время проведения опытов.

Рис. 3.1. Наглядная схема развития грозы

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд, при этом напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет около100 В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Молния, как носитель электрических зарядов, является наиболее близким к электричеству источником, по сравнению с другими АИЭ. Заряд, который накапливается в облаках, имеет потенциал в несколько миллионов вольт относительно поверхности Земли. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20000 ?С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.

альтернативный энергия грозовой электростанция

3.1.2 Принцип действия грозовой электростанции

Основан на все том же процессе, что и другие электростанции: преобразование энергии источника в электричество. По сути, молния содержит то же электричество, то есть ничего преобразовывать не надо. Однако указанные выше параметры “стандартного” грозового разряда настолько велики, что если это электричество попадет в сеть, то все оборудование просто сгорит в считанные секунды. Поэтому в систему вводят мощные конденсаторы, трансформаторы и различного рода преобразователи, подстраивающие данную энергию под требуемые условия применения в электросетях и оборудовании.

3.1.3 Преимущества и недостатки грозовой электростанции

Преимущества грозовых электростанций:

Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии -- солнца и радиоактивных элементов земной коры.

Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.

Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.

Грозовая электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки грозовых электростанций:

Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.

Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.

Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.

В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.

3.2 Расчет грозовой электростанции

Расчет грозовой электростанции рассчитан, в первую очередь, на определение выходной мощности. Ведь задача любой электростанции заключается в максимальной энергетической эффективности, чтобы окупить средства на эксплуатацию и установку, а также производство электроэнергии. Чем выше количество выходной энергии, тем больший доход она принесет, и большее количество объектов будет ею обслужено. Так как основой входящей энергии грозовой электростанции является грозовой разряд, то, благодаря схожести его состава с выходной электроэнергией, расчет мощности электростанции практически эквивалентен мощности заряда молнии за исключением внутренних потерь.

На выходную мощность электростанции влияют такие параметры, как место установки, эффективность оборудования

Форма импульсов тока молнии i(t) описывается выражением:

,(3.1)

где I - максимум тока; k - корректирующий коэффициент; t - время; - постоянная времени фронта; - постоянная времени спада.

Параметры, входящие в эту формулу, приведены в табл. 3.1. Они соответствуют наиболее сильным молниевым разрядам, которые встречаются редко (менее чем 5% случаев). Токи величиной 200 кА встречаются в 0,7...1% случаев, 20 кА - в 50% случаев.

Таблица 3.1. Параметры формулы (3.1).

Параметр	10 мкс	50 мкс	100 мкс
I, кА	200	150
k	0,93
, мкс	19,0
, мкс	485

Для первого случая результат формы импульса будет таковым:

Таким образом, форма молнии представляет собой следующий вид:

Рис. 3.2. График формы импульса тока

При всем при этом максимальная разница потенциалов молнии достигает 50 миллионов вольт, при токе до 100 тысяч ампер. Для расчётов энергии молнии возьмем цифры ближе к средним для большинства молний, а именно: напряжение 25 миллионов вольт и ток 10 тысяч ампер.

При грозовом разряде, электрический потенциал уменьшается до нуля. Поэтому для того, чтобы правильно определить среднюю мощность грозового разряда, в расчётах надо брать половину первоначального напряжения.

Теперь мы имеем следующую мощность электрического разряда:

,(3.2)

где P - мощность грозового разряда, U - напряжение; I - сила тока.

То есть по (3.2) получаем:

Вт.

Значит, мощность грозового разряда составляет 125 миллионов киловатт. С учетом времени в несколько тысячных секунды определи общее количество энергии молнии:

Вт·ч=34,722 кВт·ч,

где t1 - количество секунд в часе; t2 - время длительности грозового разряда.

Возьмем среднюю цену электрической энергии 4 рубля за 1 кВт·ч. Тогда стоимость всей энергии молнии составит 138,88 рублей.

Реально получить и использовать энергию по данным расчетам, например, на нагрев воды, можно только небольшую часть. Основная часть энергии молнии расходуется при искровом разряде на нагрев атмосферы и даже теоретически потребители могут использовать меньшую часть энергии молнии.

ВЫВОДЫ

В процессе работы над курсовым проектом сделаны выводы об истощении ресурсов планеты и загрязнении атмосферы и поверхности земли в процессе их переработки и добычи. Кроме того, рассмотрены основные виды замены вредного производства на более щадящее путем выработки энергии из чистых природных источников таких, как вода, приливы, Солнце и др.

В курсовом проекте рассматривается возможность использования энергии грозовых разрядов для преобразования их в электроэнергию. Выполнены расчеты по количеству и стоимости грозового разряда. Однако данные расчеты относительны. Ведь энергия молнии расходуется на атмосферные процессы, и лишь ее небольшая часть добирается до электростанции.

Размещено на Allbest.ru