Что такое альтернативная энергетика, ее основные виды и сферы применения

Введение.

Среди величайших достижений ХХ века наряду с генной и полупроводниковой технологиями открытие атомной энергии и овладение ею занимает особое место.

Человечество получило доступ к громадному и потенциально опасному источнику энергии, который нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно использовать не во вред, а на пользу человечеству.

У атомной энергии две «родовые» функции – военная, разрушительная и энергетическая – созидательная. По мере уничтожения устрашающих ядерных арсеналов, созданных в период холодной войны, атомная энергия будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов, ядерных технологий, нашедших применение в промышленности, космосе, сельском хозяйстве, археологии, судебной медицине и т.д.

В XXI веке истощение энергоресурса уже не будет первым ограничивающим фактором. Главным становится фактор ограничения предела экологической емкости среды обитания.

Прогресс, достигнутый в превращении атомной энергии в безопасное, чистое и действенное средство удовлетворения растущих глобальных энергетических потребностей, не может быть достигнут никакой другой технологией, несмотря на привлекательность энергии ветра, солнца и других, «возобновляемых» источников энергии.

Однако бытующее в обществе представление об атомной энергии по-прежнему окутано мифами и страхами, которые абсолютно не соответствуют фактическому положению дел, и, в основном, опираются исключительно на чувства и эмоции.

В том случае, Когда голосованием предлагается решать вопросы об опасности там, где действуют законы природы  ( по терминологии В.И.Вернадского, когда «общественное мнение» опережает «общественное понимание» ) , как это ни парадоксально , происходит преуменьшение экологической опасности.

Поэтому одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед учеными, является задача достижения «общественного понимания» экологических проблем, в том числе – атомной энергетике.

Активность экологических движений должна приветствоваться, но она должна быть конструктивной, а не разрушительной.

Хорошо организованный и цивилизованный диалог между специалистами и общественностью, безусловно, полезен.

Цель нашего проекта – анализ информации, необходимой для выработки собственного осознанного отношения к проблемам развития энергетики вообще и атомной энергетики в частности.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия. Техническое использование солнечной энергии осуществляется в нескольких формах: применение низко – и высокотемпературного оборудования, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на фотоэлектрическом оборудовании.

Принципиальными особенностями солнечного излучения являются огромные потенциальные ресурсы (в 4000 раз превышает прогнозируемые энергопотребности человечества в 2020 году ) и низкая интенсивность. Так, среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150Вт/м , что в 1000раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС.

К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Одним из наиболее важных препятствий является низкая интенсивность солнечного излучения, что проблему необходимости концентрирования солнечной энергии в сотни раз ещё до того, как она превратится в тепло. Практическая реализация концентрации солнечной энергии требует отчуждения огромных земельных площадей. Для размещения солнечной электростанции (СЭС) мощностью 1000МВт (Эл) в средней полосе европейской части необходима площадь при 10%к.п.д. в 67км2. К этому надо добавить ещё и земли, которые потребуются отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС.

Следует подчеркнуть, что материалоёмкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и в атомной энергетике.

Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела.

Нетрадиционные источники энергии: способы получения

Нетрадиционные источники энергоснабжения – это в первую очередь получение электроэнергии с помощью ветра, солнечного света, энергии волн приливов и отливов, а также с использованием геотермальных вод. Но, помимо этого, есть и другие способы с использованием биомассы и других методов.


А именно:

  1. Получение электричества из биомассы. Такая технология подразумевает под собой производство из отходов биогаза, который состоит из метана и углекислого газа. Некоторые экспериментальные установки (гумиреактор от Михаэль) перерабатывают навоз, солому, что позволяет получить из 1 т материала 10–12 м3 метана.
  2. Получение электричества термальным способом. Преобразование тепловой энергии в электричество путем нагрева одних соединенных между собой полупроводников, состоящих из термоэлементов и охлаждения других. В результате разницы температур, получается электрический ток.
  3. Водородная ячейка. Это устройство, которое из обычной воды путем электролиза позволяет получить достаточно большое количество водородно-кислородной смеси. При этом расходы на получение водорода минимальны. Но такое получение электроэнергии пока только лишь находится в стадии экспериментов.

Еще одной разновидностью получения электроэнергии является специальное устройство, которое называется двигатель Стирлинга. Внутри специального цилиндра с поршнем находится газ или жидкость. При внешнем нагреве объем жидкости или газа увеличивается, поршень двигается и заставляет работать в свою очередь генератор. Далее газ или жидкость, проходя по системе труб, охлаждается и двигает поршень обратно. Это довольно грубое описание, но дает понять, как работает данный двигатель

Биогазовые установки

Используют для работы различные отходы жизнедеятельности, например, от домашних или сельскохозяйственных животных и птиц. В герметичной ёмкости они подвергаются обработке анаэробными бактериями, которые в свою очередь выделяют биогаз.

Чтобы процесс шёл быстрее, отходы нужно периодически перемешивать, для чего используется ручная или механическая мешалка.

Современные технологии для получения энергии с помощью биогазовых установок позволяют это делать без выполнения неприятных действий. Их главные преимущества:

  • независимость от погодных условий;
  • экономия на утилизации отходов;
  • возможность использовать множество видов сырья.

К недостаткам можно отнести следующие:

  • хоть это и биологически чистый вид топлива, при его сжигании в атмосферу выделяется небольшое количество вредных выбросов;
  • использовать установку удобно только в районах, богатых необходимым сырьём;
  • стоимость оборудования достаточно высока.

Ветровая энергия

Работа ветра используется человечеством достаточно давно – все парусные суда двигались благодаря его силе, ветряные мельницы благодаря ветру перемалывали зерно в муку.

Использованию потенциала ветра сегодня уделяется большое внимание – современные аналоги ветряных мельниц способны вырабатывать электро- и теплоэнергию в промышленных масштабах. Ветер – источник постоянной энергии, подаренный природой

Ветер – источник постоянной энергии, подаренный природой

Такой подъем в производстве ветрогенераторов стал возможен благодаря появлению новых композитных материалов. Их использование значительно увеличило мощность установок, использующих энергетику ветра, – более чем в 10 раз всего за последнее десятилетие.

Сегодня в России промышленно выпускают ветрогенераторы от самых компактных до огромных, существуют ветрогенераторы с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Чтобы собрать для частного загородного дома самое простое устройство, достаточно иметь несколько магнитиков, проволоку и материал для лопастей.

Россия по использованию энергетического потенциала ветра находится на 56 месте в мире, уступая даже Люксембургу (в 3 раза больше мощность ветрогенераторов) и Кипру (в 5 раз больше мощность). При том, что в России огромный потенциал энергии ветра, взять, к примеру, побережье Дальнего Востока.

Преимущества работы ветрогенераторов очевидны:

  • бесплатный источник неисчерпаемой энергии – ветер;
  • ветрогенератор работает постоянно, полученная энергия запасается на аккумуляторных батареях, т. е. имеется всегда;
  • экологическая чистота и бесшумность работы;
  • эффективность работы не зависит от температурного режима – может использоваться в северных широтах, где солнечные батареи малоэффективны;
  • производительность зимой возрастает, так как ветер зимой всегда сильнее;
  • стоимость оборудования для использования энергии ветра значительно ниже, чем у солнечных батарей, т.е. окупаются они значительно быстрее.

При использовании ветрогенератора, этого альтернативного источника энергии для частного дома, следует учитывать следующие правила:

  • для производительной работы установки необходим устойчивый (желательно сильный) ветер, открытое пространство;
  • ветрогенератору необходим профилактический уход – раз в год обязательно проводить техобслуживание согласно инструкции;
  • установка ветрогенераторов проводится на мачте значительной высоты – нужна высотная техника и специалисты по их установке, самостоятельно их монтировать не стоит.

Самодельная гидроэлектростанция


При наличии на участке ручья или водоёма с плотиной дополнительным источником альтернативной электроэнергии станет самодельная гидроэлектростанция. В основе устройства лежит водяное колесо, а мощность будет зависеть от скорости течения воды. Материалы для изготовления генератора и колеса можно взять от автомобиля, а обрезки уголка и металла найдутся в любом хозяйстве. Кроме этого, понадобится кусок медного провода, фанера, смола полистироловая и неодимовые магниты.

Самодельная гидроэлектростанция

Последовательность работ:

  1. Делается колесо из 11 дюймовых дисков. Из стальной трубы изготавливаются лопасти (режем трубу вдоль на 4 части). Потребуется 16 лопастей. Диски стягиваются болтами, зазор между ними 10 дюймов. Лопасти привариваются сваркой.
  2. Изготавливается сопло по ширине колеса. Его делают из обрезка металла, выгнув по размеру и соединив сваркой. Сопло настраивают по высоте. Это позволит отрегулировать водяной поток.
  3. Сваривается ось.
  4. Устанавливается колесо на ось.
  5. Делается обмотка, заливаются смолой катушки – статор готов. Собираем генератор. Из фанеры изготавливается шаблон. Устанавливают магниты.
  6. Генератор защищают металлическим крылом от водяных брызг.
  7. Колесо, ось и крепежи с соплом покрывают краской для защиты металла от коррозии и эстетического удовольствия.
  8. Регулировкой сопла добиваются наибольшей мощности.

Самодельные устройства не требуют больших капиталовложений и производят энергию бесплатно. Если совместить несколько видов альтернативных источников, то такой шаг ощутимо снизит расходы на электроэнергию. Для сбора агрегата понадобятся только умелые руки и ясная голова.

Следы неведомых людей

Исследования 2016 года вызывали много вопросов: геном современного человека, у которого искали чужеродные гены, специалисты сравнивали с ДНК тех, от кого он их мог получить.

К тому времени геном неандертальцев уже хорошо изучили, а вот главным источником информации о денисовских людях оставались кость фаланги пальца и несколько зубов из алтайской пещеры. Учитывая, что с Homo sapiens, как считается, смешались денисовцы, жившие на юге Азии или востоке Индонезии — далекие популяции часто отличаются друг от друга, — следы таинственного гоминида вполне могли принадлежать именно им.

Ученые считают, что Homo sapiens и предковая по отношению к ним популяция несколько раз скрещивались с представителями других видов Homo. Благодаря этому в ДНК современных людей есть участки, унаследованные и от неандертальцев, и от денисовцев

Однако четыре года спустя исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) предложили новую методику поиска древней примеси в ДНК современных людей. Знать геном того, от кого она унаследована, уже не требовалось. То есть ученые могли обнаружить следы гибридизации наших предков с вымершими видами Homo, от которых не осталось ничего — ни костей, ни зубов, ни орудий труда.

Первые, на ком испытали новый подход, — западноафриканские народы йоруба и менде. Эксперты проанализировали 405 их полных геномов и выделили от двух до 19 процентов неизвестной ранее архаичной ДНК. Значит, предки современных африканцев скрещивались с видами людей, которые отделились от общего ствола около 625 тысяч лет назад — до появления неандертальцев и денисовцев.

Предки западноафриканского племени йоруба скрещивались с неизвестными пока видами людей, которые отделились от общего ствола около 625 тысяч лет назад


Демографическое моделирование показало: гибридизация проходила не позднее 43 тысяч лет назад — примерно в то время, когда в Европе неандертальцы стали смешиваться с Homo sapiens.

Правда, за что именно отвечают гены, переданные таинственным предком, и какую роль они сыграли в выживании западноафриканских народов, пока не понятно.

Виды энергии

В прошлом году ты познакомился с понятием энергия и выяснил, что энергия – это способность тела совершать работу.

     На каждом из фрагментов тела двигаются и совершают работу, преобразовывая энергию в различные ее виды. Подумай, какое преобразование энергий происходило на каждой из представленных картинок. Например, электрическая энергия, которую получает электровоз, превращается в механическую энергию движения.      ​Если ты внимательно рассмотришь эти изображения, то поймешь, что каждому из этих объектов в какой-то промежуток времени потребуется пополнение энергии для продолжения движения.

Тепловая энергия земли

Тепло можно брать отовсюду – из грунта, воздуха, подземных источников и поверхностных вод. Для сбора низкотемпературного тепла, повышения его качеств и передачи потребителю применяются тепловые насосы. Использовать «тепло земли» можно для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования.

Известно несколько видов тепловых насосов:

  • Грунтовые – они собирают тепло при помощи закопанного ниже уровня промерзания земли горизонтального коллектора или проложенного в вертикальной скважине теплового зонда. Мощные и дорогие установки способны обеспечить потребителя теплом зимой, но использовать их лучше только в качестве аварийного варианта.
  • Водяные – по тому же принципу отбирают тепло у грунтовых вод или иных водоемов. Температура там обычно не опускается ниже 6°С. Водяные тепловые насосы сложны в монтаже, поскольку нужно бурить скважину и проводить регулярную очистку насоса.
  • Воздушные – обычно используются в теплых широтах, вбирая в себя тепло из окружающего воздуха.

Тепловой насос – довольно сложный прибор, который в условиях крайне низких температур практически не применим.

Научно-технический прогресс, энергия и человеческое общество. Источники энергии.

Человечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб.

Развитие энергетике связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который, с одной стороны, ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду. К  числу важнейших глобальных проблем относятся:

  • рост численности населения Земли и обеспечение его продовольствием;
  • обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и природных ресурсов;
  • охрана природной среды, в том числе и здоровья человека, от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса.

Такие экологические угрозы, как парниковый эффект и необратимые изменения климата, истощение озонового слоя, кислотные дожди (осадки ), сокращение биологического разнообразия, увеличение содержания токсичных веществ в окружающей среде, требуют новой стратегии развития человечества, предусматривающей согласованное функционирование экономики и экосистемы. Разумеется, потребности современного общества должны удовлетворяться с учётом потребности будущих поколений. Потребление энергии является одним из важных факторов развития экономики и уровня жизни людей. За последние 140 лет потребление энергии во всём мире возросло примерно в 20 раз, а  численность населения планеты – в 4 раза (24).

С учётом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический  Конгресс прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50-100% к 2020 году и на 140-320% к 2050г. (3,25).

Что же такое энергия вообще? Согласно современным научным представлениям, энергия-это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии.

Энергия может проявляться в различных формах : кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, тепловая, ядерная.

Для удовлетворения нашей потребности в энергии существуют возобновляемые и невозобновляемые источники.

Солнце, ветер, гидроэнергия, приливы и некоторые другие источники энергии называют возобновляемыми потому, что их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к невозобнавляемым источникам энергии, и при переработке они теряются безвозвратно.

По прогнозам Международного энергетического агентства потребности в первичных энергоносителях в первом десятилетии ХХ1-го века будут удовлетворены в следующих соотношениях : нефть- не более 40%, газ- менее 24%, твёрдые виды топлива (в основном уголь ) – менее 30%, ядерная энергия -7%, гидроэнергетика – 7%, возобновляемые виды энергии – менее 1%. Региональное потребление первичных энергоносителей может иметь отклонения от мировых тенденций .

Основное количество энергии человечество получает и будет получать в ближайшем будущем, расходуя невозобновляемые источники.

Такие природные ресурсы, как: уголь, нефть, газ –практически невосстанавливаемые, не смотря на то, что их запасы на сегодняшний день во всем мире очень велики, но они все равно когда-либо закончатся. Самое главное то, что при работе ТЭС происходит отравление окружающей среды.

Широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» возобновляемых источников энергии справедливо, лишь, если иметь в виду только конечную стадию – энергопроизводящую станцию. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия          в настоящий момент вносит серьёзный вклад во всемирное производство электроэнергии (17% ).

Тепловые насосы для отопления дома

Тепловые насосы используют все имеющиеся в наличии альтернативные источники энергии. Они отбирают тепло у воды, воздуха, грунта. В небольших количествах это тепло есть там даже зимой, вот его и собирает тепловой насос и перенаправляет на обогрев дома.

Тепловые насосы также используют альтернативные источники энергии — тепло земли, воды и воздуха

Принцип работы

Чем же так привлекательны тепловые насосы? Тем, что затратив 1 кВт энергии на ее перекачку, в самом плохом варианте вы получите 1,5 кВт тепла, а самые удачные реализации могут дать до 4-6 кВт. И это никак не противоречит закону сохранения энергии, ведь расходуется энергия не на получение тепла, а не его перекачивание. Так что никаких нестыковок.

Схема теплового насоса для использования альтернативных источников энергии

У тепловых насосов есть три рабочих контура: два наружных и они внутренний, а также испаритель, компрессор и конденсатор. Работает схема так:

  • В первом контуре циркулирует теплоноситель, который отбирает тепло у низкопотенциальных источников. Он может быть опущен в воду, закопан в землю, а может отбирать тепло у воздуха. Самая высокая температура, которая достигается в этом контуре — около 6°C.
  • Во внутреннем контуре циркулирует теплоноситель с очень низкой температурой кипения (обычно 0°C). Нагревшись, хладагент испаряется, пар попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется тепло, пары хладагента разогреваются до температуры в среднем от +35°C до +65°C.
  • В конденсаторе тепло передается теплоносителю из третьего — отопительного — контура. Остывающие пары конденсируются, затем дальше попадают в испаритель. И далее цикл повторяется.

Отопительный контур лучше всего делать в виде теплого пола. Температуры для этого самые подходящие. Для радиаторной системы потребуется слишком большое число секций, что некрасиво и невыгодно.

Альтернативные источники тепловой энергии: откуда и как брать тепло

Но самые большие сложности вызывает устройство первого внешнего контура, который собирает тепло. Так как источники низкопотенциальные (тепла у низ мало), то для сбора его в достаточном количестве требуются большие площади. Есть четыре вида контуров:

  • Кольцами уложенные в воде трубы с теплоносителем. Водоем может быть любым — река, пруд, озеро. Главное условие — он не должен промерзать насквозь даже в самые сильные морозы. Более эффективно работают насосы, выкачивающие тепло из речки, в стоячей воде тепла передается намного меньше. Такой источник тепла реализуется проще всего — закинуть трубы, привязать груз. Только велика вероятность случайного повреждения.

  • Термальные поля с закопанными ниже глубины промерзания трубами. В этом случае недостаток один — большие объемы земляных работ. Приходится снимать грунт на большой площади, да еще на солидную глубину.

  • Использование геотермальных температур. Бурят некоторое количество скважин большой глубины, в них опускают контура с теплоносителем. Чем хорош этот вариант — мало места требует, но не везде есть возможность бурить на большие глубины, да и услуги буровых стоят немало. Можно, правда, сделать буровую установку самостоятельно, но работа все равно нелегкая.

  • Извлечение тепла из воздуха. Так работают кондиционеры с возможностью обогрева — отбирают тепло у «забортного» воздуха. Даже при минусовой температуре такие агрегаты работают, правда при не очень «глубоком» минусе — до -15°C. Чтобы работа была интенсивнее, можно использовать тепло от вентиляционных шахт. Закинуть туда несколько переть с теплоносителем и качать оттуда тепло.

Основной недостаток тепловых насосов — высокая цена самого насоса, да и монтаж полей сбора тепла обходится недешево. На этом деле можно сэкономить, сделав насос самостоятельно и также своими руками уложив контура, но сумма все равно останется немалой. Плюс в том, что отопление будет недорогим а действовать система будет долго.

Электростанция на солнечных батареях

Установка солнечных панелей потребует:

  • Накопители, представляющие из себя фотоэлементы.
  • АКБ – для накопления заряда.
  • Контроллер, который позволит следить за аккумулятором.
  • Устройство для преобразования 12 или 24 В тока в 200 В.
  • Конструктивные и фиксирующие элементы.

Особенности установки на доме

Следует учесть, что угол наклона должен меняться. Зимой альтернативный солнечный накопитель следует переводить в положение с большим углом к горизонту. Делается это для того, чтобы на солнечном коллекторе не скапливался снег. Иначе это приведет к резкому уменьшению эффективности.

Выбирать следует участок крыши дома, которая обращена на южную, восточную или юго-восточную стороны света.

Солнечные коллекторы для нагрева воды

Для получения горячей воды и отопления в частном доме используют альтернативный коллектор, работающий от солнечного тепла. Принцип работы и устройство конструкции:

  1. Короб. Металлический прослужит дольше. Выполненный из плит ОСБ, ДВП, ДСП – более дешевый вариант, но его эксплуатации будет менее длительная. Для увеличения срока службы пропитывают плиту специальными септиками и лаками.
  2. На дно короба укладывается минеральная вата или пенопласт – они служат теплоизоляторами и предотвращают теплопотери.
  3. На плиту укладываются плотными рядами трубы. Лучший материал медь – обладает высокой теплопроводностью. Допускаются металлопластиковые варианты, но их энергоэффективность будет на 20% меньше медных.
  4. Входная часть и выходная снабжаются фиттингами. Они обеспечивают подключение к коммуникациям водоснабжения дома.
  5. Сверху короб закрывается стеклом. Можно также использовать акриловый материал или монолитный поликарбонат. Важный момент – поверхность должна быть не гладкой, а рифленой, для лучшего процесса нагрева. Солярное стекло обладает способностью устранять потери тепла. Оно обеспечивает меньшие энергопотери.

Далее вся альтернативная конструкция подключается к источнику воды, который будет циркулировать внутри помещения.


С этим читают