Технические науки / Энергетика

Курьерова М.П., Жантугулов Т.Ж.

Костанайский социально-технический университет

имени академика Зулхарнай Алдамжар, Казахстан

Источники электрической энергии

Существуют три основных вида ископаемых энергоносителей: уголь, нефть и природный газ. Трудно точно рассчитать, на сколько лет еще хватит запасов нефти. Если существующие тенденции сохранятся, то годовое потребление нефти в мире к 2018 году достигнет 3 млрд. тонн. Даже допуская, что промышленные запасы существенно возрастут, геологи приходят к выводу, что к 2030 году будет исчерпано 80% разведанных мировых запасов нефти. Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти и природного газа, его запасы не безграничны. В отличие от потребления нефти, потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще на 400 лет. Но если потребление будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет.

       Энергетическая проблема является одной из основных проблем человечества. Итак по прогнозным данным запасов нефти хватит на 40 лет, угля на 400 лет и газа на 60 лет. Мировая система энергетики подвергается гигантским проблемам.

Источники электрической энергии представлены основными традиционными   электростанциями – тепловыми, гидроэлектростанциями и атомными электростанциями. В результате стремительного истощения природных энергетических носителей на первый план выводится задача по поиску новых методов получения энергии.

                        Источники основной электрической энергии

         Тепловые электростанции

         Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.     На тепловых электростанциях преобразуется  химическая  энергия  топлива сначала в механическую, а затем в электрическую. Около  75%  всей  электроэнергии  Казахстана   производится   на   тепловых электростанциях.

           Гидроэлектростанции

           Возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращаются турбины электрогенератора. В настоящее время на ГЭС вырабатывает­ся около 15% всей электроэнергии. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет около 85-90%.

         Получение электроэнергии таким методом считается самым экологичным за счет того, что не происходит сжигание различных видов топлива, следовательно, отсутствуют вредные отходы. 

         Атомные электростанции

        Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. Ядерное топливо, запасы которого достаточно велики, обладает очень высокой теплотворной способностью (1 кг U-235 заменяет 2900 т угля), поэтому АЭС особенно эффективны в районах, бедных топливными ресур­сами. А в остальном они схожи с тепловой электростанцией. 

                  Нетрадиционные (альтернативные ) источники энергии

         К ним относятся ветер, солнце, тепло земных турбин и океанические приливы. В последнее время их все чаще используют как нетрадиционные дополнительные источники энергии. Ученые утверждают, что к 2050 году нетрадиционные энергоисточники станут основными, а обычные потеряют свое значение.

         Энергия солнца

         Есть несколько способов ее применения. Во время физического метода получения энергии солнца применяются гальванические батареи, способные поглощать и преобразовывать солнечную энергию в электрическую или тепловую. Также используется система зеркал, отражающая солнечные лучи и направляющая их в трубы, заполненные маслом, где концентрируется солнечное тепло. 

         В некоторых регионах целесообразнее использовать солнечные коллекторы, с помощью которых есть возможность в частичном решении экологической проблемы и использования энергии для бытовых нужд.

        Основные достоинства энергии солнца – общедоступность и неисчерпаемость источников, полная безопасность для окружающей среды, основные экологически чистые источники энергии. Главный недостаток – потребность в больших площадях земли для строительства солнечной электростанции. 

         Энергия ветра

         Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер.

        Основной недостаток  ветряных электростанций (ВЭС) - шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм. 

         Приливные электростанции

        Для производства электрической энергии используется энергия прилива. Для того, чтобы построить простейшую приливную электростанцию потребуется бассейн, перекрытое плотиной устье реки или залив. Плотина оснащена гидротурбинами и водопропускными отверстиями.

        Вода во время прилива поступает в бассейн и когда происходит сравнение уровней воды в бассейне и в море, водопропускные отверстия закрываются. С приближением отлива водный уровень уменьшается, напор становится достаточной силы, турбины и электрогенераторы начинают свою работу, постепенно вода из бассейна уходит.

        Новые источники энергии в виде приливных электростанций имеют некоторые минусы – нарушение нормального обмена пресной и соленой воды; влияние на климат, так как в результате их работы меняется энергетический потенциал вод, скорость и площадь перемещения.       Плюсы – экологичность, невысокая себестоимость производимой энергии, сокращение уровня добычи, сжигания и транспортировки органического топлива.

        Нетрадиционные геотермальные источники энергии

       Для производства энергии используется тепло земных турбин (глубинные горячие источники). Данное тепло можно применять в любом регионе, но расходы смогут окупиться лишь там, где горячие воды максимально приближены к земной коре – местности активной деятельности гейзеров и вулканов.

       Основные источники энергии представлены двумя типами – подземный бассейн естественного теплоносителя (гидротермальный, паротермальный или пароводяной источники) и тепло горных горячих пород. Первый тип представляет собой готовые к применению подземные котлы, из которых пар или воду добывать можно обычными буровыми скважинами. Второй тип дает возможность получения пара или перегретой воды, которые в дальнейшем можно использовать в энергетических целях.

        Основной недостаток обоих типов – слабая концентрация геотермических аномалий, когда горячие породы или источники подходят близко к поверхности. Также требуется обратная закачка в подземный горизонт отработанной воды, поскольку термальная вода имеет множество солей токсичных металлов и химических соединений, которые нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы.

       Достоинства – данные запасы неисчерпаемы. Геотермальная энергия пользуется большой популярностью благодаря активной деятельности вулканов и гейзеров, территория которых занимает 1/10 площади Земли. 

                  Новые перспективные источники энергии .

        Биомасса .

        Биомассса бывает первичной и вторичной. Для получения энергии можно использовать высушенные водоросли, отходы сельского хозяйства, древесину и т. д. Биологический вариант использования энергии – получение из навоза биогаза в результате сбраживания без доступа воздуха.

        На сегодняшний день в мире накопилось приличное количество мусора, ухудшающего окружающую среду, мусор оказывает губительное влияние на людей, животных и на все живое. Именно поэтому требуется развитие энергетики, где будет использоваться вторичная биомасса для предотвращения загрязнения окружающей среды.

         Согласно подсчетам ученых, населенные пункты могут полностью обеспечивать себя электроэнергией только за счет своего мусора. Более того, отходы практически отсутствуют. Следовательно, будет решаться проблема уничтожения мусора одновременно с обеспечением населения электроэнергией при минимальных расходах. Преимущества – не повышается концентрация углекислого газа, решается проблема использования мусора, следовательно, улучшается экология.

         Получение электроэнергии из соленой воды.

        Жидкая соль посредством парогенератора приводит во вращение турбину, вырабатывающую электричество. Когда соль остывает – её снова и снова можно «перезаряжать», и, кроме того, в отличие от обычных аккумуляторов, в этой системе нет ничего токсичного. Хранить тепло соль может достаточно долго, чтобы суметь отдавать его ночью – когда солнце уже давно скрылось за горизонтом. Ученые подсчитали, что с каждого литра пресной воды, впадающей в море, можно получить 2,2 кДж энергии. Это значит, что если бы человечество начало использовать подобным образом устья всех рек Земли, это обеспечило бы нам целых 13% энергии в мире. Как этого добиться? – Технология известна в теории уже давно, но из-за дороговизны компонентов на практике применения до сих пор не находила.

          В основе процесса получения энергии лежит реверсивный электродиализ (reverse electrodialysis, RED). Между слоями солёной и пресной воды помещают слои ионных мембран: они не позволяют смешиваться воде, но и не мешают прохождению сквозь них ионов. Процесс электролиза воды начинается при разности потенциалов в 1,8 Вольта – это возможно при использовании 25 ионных мембран и системы насосов для подачи на них воды под давлением. Пока всё это остаётся теорией, но при таком потенциале идея явно не пролежит долго «под сукном». Эта технология так же опирается на реверсивный электродиализ, однако благодаря сотрудничеству RED с каталитическими свойствами микроорганизмов потребуется уже не 25, а лишь 5 ионных мембран для запуска процесса электролиза. Первая экспериментальная электростанция, получающая энергию из соленой воды создана компанией Statkraft в Норвегии.

        Электростанция для получения электроэнергии использует физический эффект - осмос. С помощью этого эффекта в результате смешивания солёной и пресной воды извлекается энергия из увеличивающейся энтропии жидкостей. Затем эта энергия используется для вращения гидротурбины электрогенератора.

         Топливные элементы - получение электроэнергии из топлива

         Топливный элемент — устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

        Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

         Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внешней мембране. Однако копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах лишено смысла, так как на долю электрической разности потенциалов приходится ничтожная доля химической энергии исходных веществ: почти вся энергия передаётся молекулам АТФ.

          Разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт. Фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД.

          Термогенераторы - преобразование тепловой энергии в электрическую.

         Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

        Для получения электрической энергии используется термоэлектрический эффект. Это довольно старая технология, опять ставшая актуальной в наше время за счет массового использования энергосберегающих источников света и различных переносных электроприемников. Уже существуют и с успехом используются промышленные разработки, например отопительно-варочные печи, со встроенными термогенераторами, которые в процессе своей работы позволяют получать не только тепло, но и электроэнергию.

        Пьезоэлектрические генераторы - использование кинетической энергии.

         Пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

          Созданы экспериментальные установки, которые позволяют получать электроэнергию за счет использования кинетической энергии - пешеходные дорожки, турникеты на железнодорожных вокзалах, специальный танцпол со встроенными в него пьезоэлектрическими генераторами. Есть идеи в ближайшем будущем создать специальные "зеленые тренажерные залы", в которых группа спортивных тренажерных велосипедов сможет, по словам производителей, генерировать до 3,6 мегаватт возобновляемой электроэнергии в год.

         Наногенераторы - использование энергии колебаний.

         В данном устройстве источником энергии является специальный наногенератор, преобразующий в электрическую энергию микроколебания в человеческом теле. Устройству довольно малейших вибраций, чтобы вырабатывать электрический ток, позволяющий поддерживать работоспособность мобильных устройств. Современные наногенераторы превращают любые движения (различные перемещения, колебания жидкости и биологическую вибрацию) в источник энергии. Ученые-исследователи сумели объединить наногенератор и солнечную батарею (ячейку), создав тем самым аппарат способный воспользоваться механической и солнечной энергией. Такой генератор-гибрид является первым в своей области.

        Заключение: Современный мир постепенно и неуклонно приходит к более широкому и активному использованию альтернативных источников энергии. Человечество прекрасно понимает, что нефть и газ рано или поздно закончатся, атомная энергетика при всей её развитости все равно не может быть на 100% безопасной, уголь вредит экологии и тоже относится к невозобновляемым природным ресурсам.

         Именно поэтому сегодня все большее число ученых и исследователей работают в области повышения эффективности и снижения себестоимости выработки электроэнергии из альтернативных источников. Альтернативная энергетика – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии.

 

                     Список использованных источников

1. http://teh-svet.ru/Avarijnoe-osveschenie-SniP-23-05-95.html

2. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электростанции: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Изд  МЭИ, 2004. – 424 с.

3. Тауд Р. Перспективы развития тепловых электростанций на органическом топливе // Теплоэнергетика. – 2000. – № 2. – С. 68–72.

4. Дубовской С.В. Состояние и перспективы развития комбинированного производства электрической и тепловой энергии в странах Европейского Союза // Проблемы общей энергетики. – 2004. – № 10. – С.12.

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/

 6.http://transtechno2.ru/produktsiya-3/transformatoryi-silovyie-maslyanyie/transformator-tm-silovyie-maslyanyie-transformatoryi-tipa-tm/transformator-maslyanyiy-tm-160/