Реферат по теме: Горячие источники
| Вид материала | Реферат |
- Крутько Людмила Дмитриевна, учитель географии первой категории. Тема урок, 42.65kb.
- Реферат по теме : "Первичные источники питания", 96.66kb.
- Реферат по теме «источники и виды загразнения атмосферного воздуха», 90.48kb.
- Экскурсионная программа: вся канада от океана до океана 18 дней, 50.42kb.
- Полуостров Камчатка, 41.42kb.
- Реферат реферат, 52.91kb.
- Как писать реферат Реферат, 13.37kb.
- Программа тура день 1 Прилет в Нью-Йорк. Самостоятельный трансфер в гостиницу День 2, 72.17kb.
- Реферат по теме: Профессионально-прикладная физическая подготовка. Задание, 134.42kb.
- А источники б письменные источники в вещественные источники, 97.84kb.
Солнечные батареи, созданные самой природой, содержатся в клетках растений. Хлоропласты - энергетические станции растений, эффективно работают, - получается биотопливо (См. Приложения 17, 18, 19).
Из углекислого газа и воды хлоропласты, используя солнечное излучение, синтезируют органику, богатую энергией: целлюлозу (основа древесины) и крахмал (углевод в плодах и семенах).
Сегодня на биотопливо возлагают надежды: генномодифицированные растения производят биомассу в больших объемах. Из ботвы гигантской кукурузы гонят спирт (См. Приложение 20). В Бразилии сейчас на таком спирте ездят почти все машины (См. Приложение 21). Под посевы кукурузы бразильцы вырубают все больше амазонских лесов [4].
Вообще, конкуренция посевов - производителей биотоплива и пищевого сырья - проблема острая. В 2008 году резко возрос спрос на продукты питания: богатейшие Индия и Китай решили покупать еду, а не производить.
Крупнейший мировой экспортер, США, не смог ответить на этот спрос: именно в последние годы в этой стране стремительно растет площадь биотопливных посевов. В итоге мировая цена на рис повысилась на 70%, и в бедных странах Азии начался голод [4].
Частичное решение может содержаться в разработках группы исследователей из Университета штата Техас, результаты, которых опубликованы совсем недавно. Бактерии из группы Cyanobacter был вживлён ген от другой бактерии, Acetobacter xylynum, которая производит целлюлозу – если её только кормить. Цианобактерии же кормить не надо: они фотосинтезируют, то есть пользуются бесплатным солнцем, углекислым газом и водой. Таким образом, если реакторы с микробом-химерой выставить на солнце, они будут бешено размножаться и давать целлюлозу. Причем эта целлюлоза отличается от своего естественного прототипа: ее молекулы легче перегоняются в спирт. А это уже сулит вдвое более эффективное использование земли - если считать по калориям топлива на единицу повседневной площади [4].
Выброс парниковых газов при сжигании биотоплива точно такой же, как и при сгорании углеводородов (считая в калориях). Однако в процессе формирования биотоплива углекислый газ поглощается из атмосферы - при фотосинтезе. В итоге возникает баланс и переизбытка CO2 в атмосфере не создается [4].
С 2007 года все автомобили Skoda Octavya приспособлены для заправки биодизелем – в Чехии его производят около 60 тысяч тонн в год (См. Приложение 22).
Из пищевых отходов, навоза и соломы делают биогаз, по потенциалу он не уступает природному. [4].
В 2007 году в Лондоне появился первый европейский поезд на биодизельном топливе (См. Приложение 23).
Биотопливо, получаемое из стеблей сахарного тростника, кукурузы, сои или семян рапса, достаточно дорогостояще. Для удешевления его производства учёные из университетов Хаэна и Гранады (Испания) предлагают использовать оливковые косточки, которые в огромном количестве остаются после производства растительного масла и консервирования столовых оливок. В лабораторных условиях из 100 килограммов оливковых косточек удалось получить 5,7 килограммов биоэтанола, которым можно заменить бензин и дизельное топливо [2].
Экономисты Университета Миннесоты подсчитали, что если продовольственные культуры сегодняшними темпами будут идти на выпуск этанола, количество голодающих в мире возрастёт к 2020 году на 50 %
Глава IV. Вода
Гидроэлектростанции
Энергию бегущей и падающей воды люди еще использовали еще на заре цивилизации.
Солнечная энергия постоянно затаскивает в облака тонны воды из океана - она в итоге разливается в виде рек (См. Приложение 24). Кроме того, под действием Солнца и Луны Мировой океан отклоняется от поверхности вращающейся Земли - так возникают приливы, отливы и огромные океанские волны [4].
Люди лучше всего научились использовать течение рек. Если приделать турбину к древней водяной мельнице - получается готовая гидроэлектростанция. ГЭС дают энергию более дешёвую, чем тепловые станции. В этом смысле показательно, что Норвегия, располагающая большими запасами нефти и газа в Северном море, базирует электроэнергетику почти исключительно на энергии горных рек (около 99%). Есть ГЭС безплотинные, использующие естественный водопоток, и электростанции, где поступающая вода накапливается в водохранилище, а затем подается на турбины. Строительство и работа крупных ГЭС нередко влекут за собой серьезные проблемы: искусственные моря и происходящие перед плотинами разливы меняют естественную экосистему, ландшафт и весь режим орошения в бассейне реки.
При строительстве ГЭС возникают большие побочные проблемы: искусственные моря и происходящие перед плотинами разливы меняют естественную экосистему, ландшафт и весь режим орошения в бассейне реки. Затопление плодородных земель в долинах рек, повышение уровня грунтовых вод и заболачивание, изменение микроклимата на прилегающей территории. – вот далеко не полный перечень последствий строительства ГЭС. Так после заполнения Рыбинского водохранилища (в бассейне Волги) в результате снижения среднегодовой температуры, на окрестных полях перестала вызревать пшеница и лён.
Другой пример. Длина крупнейшей в мире дамбы «Три ущелья» на реке Янцзы – 2309 м, высота – 185 м. При строительстве из зоны затопления пришлось переселить более 1, 3 миллионов человек (См. Приложени25, 26).
Поэтому в последние годы по всему миру приобретают все большую популярность мини-гидроэлектростанции: построить ее может кто угодно и где угодно - и обеспечить свой дом вечным и бесплатным электричеством. Таких станций очень много в Китае - половина новых мини-ГЭС в 2007 году построено именно там. Популярны они и в бедных странах Африки и Азии. Установив миниатюрную турбину в русле ручья, можно изменить жизнь кенийской деревни: у врачей будет телефонная связь, а в домах местных жителей – радио [4].
Факты
Первую ГЭС открыли в 1882 году в США. На её мощности работало всего 250 электролампочек.
Сегодня гидроэлектростанции дают около 20 % мировой электроэнергии.
Рентабельность ГЭС в России выше, чем ТЭС и АЭС, а себестоимость электроэнергии в 6 раз ниже, чем на ТЭС.
Приливные электростанции.
Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды (См. Приложение 27). Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.
Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что могло бы привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций незаметно. Кинетическая энергия вращения Земли (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10?14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2?10?5 секунд в год) [8].
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
Энергию морских приливов и отливов пока используют в ограниченных масштабах - в мире не так много приливных электростанций (См. Приложение 29). Развитие этой отрасли - дело будущего, предполагается, что ПЭС смогут обеспечить до 15% мирового энергопотребления [4].
В заливе Странгфорд – Лох в Северной Ирландии планируется построить приливную электростанцию, которая будет снабжать электричеством 1140 домов. (См. Приложении 28 ).
Крупнейшая в мире приливная электростанция Ля Ранс, находится во Франции.
ПЭС существуют во многих странах — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. Крупнейшая в мире приливная электростанция "Ля Ранс", построенная в эстуарии реки Ранс (Северная Бретань, Франция) имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м [8]. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса (См. Приложение 30). Мощность станции составляет 240 МВт.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций [8].
Две уникальные электростанции, использующие энергию приливов, скоро будет сооружены в России.
Первая и единственная в России ПЭС – Кислогубская, мощностью 0,4 МВт, построена в 1968 году в заливе Кислая губа на Кольском полуострове, на берегу Баренцева моря (См. Приложения 31, 32).
Станция (железобетонная конструкция длиной 36 м, шириной 18,3 и высотой 15,35 м) сооружалась в доке недалеко от Мурманска и затем была отбуксирована за 100 километров, в Кислую губу. Станция награждена золотой медалью на Всемирной выставке «ЭКСПО» в Японии, а сам метод постройки получил название «российского» и используется ныне при создании морских платформ для добычи нефти [10].
Кислогубская ПЭС была законсервирована из-за финансовых проблем в ее модернизации в середине 1990-х годов и недавно вновь запущена в работу после почти десятилетнего перерыва [10].
Ноу-хау модернизированной станции - уникальная ортогональная турбина, которая больше нигде в мире в гидроэнергетике не применяется. Основная идея такой турбины в том, что её ротор всегда вращается в одну сторону независимо от направления силового потока. Такие агрегаты уже давно применяются в ветряной энергетике, но для водной среды он разработан впервые российским «НИИ энергосооружений» и изготовлен на предприятии «Севмаш», прославившемся своими атомными подводными лодками [10].
Применение ортогонального ротора позволяет не разворачивать лопасти турбины при изменении направления силового потока, снижая тем самым затраты на эксплуатацию станции примерно на 30%.
Мощность приливной электростанции в Кислой губе, где высота прилива достигает 5 метров, составляет 400 кВт. Станция считается экспериментальной. Уже разрабатываются проекты новых ПЭС, для промышленного использования.
В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью около 8000 МВт) на Охотском море. Планируется, что на Мезенской ПЭС в Белом море будет запущен первый в России полупромышленный энергоблок мощностью 10 МВт. Полностью введенная в эксплуатацию Мезенская приливная станция может дать до 20 тысяч МВТ [10].
В настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестиционный проект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт [8].
Российские проекты Тугурской ПЭС мощностью 8,0 ГВт и Пенжинской ПЭС (87 ГВт) на Охотском море предполагают снабжать энергией районы юго – Восточной Азии [4].
В Пенжинской губе на Охотском море, где приливы доходят до 17 м, приливная электростанция даст от 20 до 90 тысяч МВТ. В целом же Россия располагает ресурсом приливной энергии, соизмеримым с общим количеством энергии, которое вырабатывается и используется сегодня в стране. Только Кольский залив и побережье Охотского моря могут дать порядка 100 гигаватт энергии за счет использования приливных электростанций. А всего 2 мегаватта достаточно для отопления и освещения среднего поселка за Полярным кругом [10].
Недавно вступил в силу Киотский протокол, предполагающий снижение вредных выбросов в атмосферу. В рамках протокола страны Евросоюза планируют к 2010 году довести долю возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе до 10%. Ввод в эксплуатацию Кислогубской ПЭС, которая не выбрасывает в атмосферу углекислый газ, можно считать вкладом российских энергетиков в решение общих экологических проблем [10].
Создание ПЭС сопряжено с большими трудностями. Прежде всего, они связаны с характером приливов, на которые влиять невозможно, так как они зависят от астрономических причин, от особенностей очертаний берегов, рельефа, дна и многих других. Цикл приливов определяется лунными сутками, тогда как режим энергоснабжения связан с производственной деятельностью и бытом людей и зависит от солнечных суток, которые короче лунных на 50 минут. Отсюда максимум и минимум приливной энергии наступает в разное время, что очень неудобно для ее использования. Несмотря на эти трудности люди, настойчиво пытаются овладеть энергией морских приливов. К настоящему времени предложено около 300 различных технических проектов строительства ПЭС. Наиболее рациональным экономически эффективным решением специалисты считают применение в ПЭС поворотно-лопастной (обратимой) турбины, идея которой впервые была предложена советскими учеными [11].
Такие турбины - их называют погруженными или капсульными агрегатами - способны действовать не только как турбины на оба направления потока, но и как насосы для подкачки воды в бассейн. Это позволяет регулировать их эксплуатацию в зависимости от времени суток. Высоты и фазы прилива, удаляясь от лунного ритма приливов и приближаясь к периодичности солнечного времени, по которому живут и работают люди. Однако обратимые турбины не компенсируют уменьшение силы прилива. Что вызывает периодическое изменение мощности ПЭС и затрудняет ее эксплуатацию. Действительно, немалые сложности возникнут в работе территориальной энергосистемы, если в нее включена электростанция, мощность которой изменяется 3 - 4 раза в течение двух недель [11].
Советские энергетики показали, что эту трудность можно преодолеть, если совместить работу приливных и речных электростанций, имеющих водохранилища многолетнего регулирования. Ведь энергия рек колеблется по сезонам и из года в год. При спаренной работе ПЭС и ГЭС энергия моря придет на помощь ГЭС в маловодные сезоны и годы, а энергия рек заполнит межсуточные провалы в работе ПЭС [11].
Далеко не в любом районе земного шара есть условия для строительства гидроэлектростанций с водохранилищами многолетнего регулирования. Исследования показали, что передача приливной электроэнергии из прибрежной зоны в центральные части материков будет оправданной для некоторых районов Западной Европы, США, Канады, Южной Америки. В этих районах ПЭС можно объединить с ГЭС, уже имеющими большие водохранилища. В таком комплексном инженерном (капсульные агрегаты) и природно-климатическом (объединенные энергосистемы) подходе лежит ключ к решению проблемы использования приливной энергии. В настоящее время началось практическое освоение энергии приливов. Этому в немалой степени способствовали усилия советских ученых. Их разработки позволили реализовать идею превращения приливной энергии в электрическую в промышленном масштабе [11].
Первая в мире промышленная ПЭС мощностью 240 тыс. кВт построена и введена в действие в 1967 г. во Франции. Она расположена на берегу Ла-Манша, в Бретани, в устье реки Ранс, где величина прилива достигает 13,5 м. Плотина ПЭС пролегает между мысом Бриант на правом берегу с опорой на островок Шалибер. Многолетняя эксплуатация первенца приливной энергетики доказала реальность сооружения, выявила достоинства и недостатки (в частности относительно небольшая мощность) таких станций. В связи с этим во многих странах созданы и продолжают разрабатываться новые проекты мощных и сверхмощных промышленных ПЭС. По определению специалистов, в 23 странах мира имеются подходящие районы для их строительства [11].
Однако, несмотря на множество проектов, промышленные приливные электростанции еще не сооружаются. При всех достоинствах ПЭС (для них не требуется создания водохранилищ, и затопления полезных территорий суши, их работа не загрязняет окружающую среду и т.п.) их доля практически неощутима в современном энергетическом балансе. Однако прогресс в освоении приливной энергии уже отчетливо выражен и перспективе станет более значительным [11].
Использование энергии волн
Ветер возбуждает волновое движение поверхности океанов и морей. Волны и береговой прибой обладают очень большим запасом энергии (См. Приложения 33, 34, 35). Каждый метр гребня волны высотой 3 м, несет в себе 100 кВт энергии, а каждый километр - 1 млн. кВт. По оценкам исследователей США, общая мощность волн Мирового океана равна 90 млрд. кВт.
С давних времен инженерно-техническую мысль человека привлекла идея практического использования столь колоссальных запасов волновой энергии океана. Однако это очень сложная задача, и в масштабах большой энергетики она еще далека от решения [11].
Пока удалось добиться определенных успехов в области применения энергии морских волн для производства электроэнергии, питающей установки малой мощности. Волноэнергетические установки используются для питания электроэнергией маяков, буев, сигнальных морских огней, стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега, и т.п. По сравнению с обычными электроаккумуляторами, батареями и другими источниками тока они дешевле, надежнее и реже нуждаются в обслуживании. Такое использование энергии волн широко практикуется в Японии, где более 300 буев, маяков и другое оборудование получают питание от таких установок. Волновой электрогенератор успешно эксплуатируется на плавучем маяке Мадрасского порта в Индии. Работы по созданию и усовершенствованию подобных энергетических приборов проводятся в различных странах. Перспективные освоения энергии волн связаны с разработкой совершенных и эффективных устройств большой мощности. В течение последних лет появилось много разных технических проектов их. Так, в Англии энергетиками спроектирован агрегат, вырабатывающий электроэнергию при использовании ударов волн. По мнению проектировщиков, 10 таких агрегатов, установленных на глубине 10 м у западных берегов Великобритании, позволят обеспечить электроэнергией город с населением в 300 тыс. человек [11].
На современном уровне научно- технического развития, а тем более и перспективе, должное внимание к проблеме овладения энергией морских волн, несомненно, позволит сделать ее важной составляющей энергетического потенциала морских стран.
Использование термической энергии
Воды многих районов Мирового океана поглощают большое количество солнечного тепла, большая часть которого аккумулируется в верхних слоях и лишь в небольшой мере распространяется в нижние. Поэтому создаются большие различия температуры поверхностных и глубоколежащих вод. Они особенно хорошо выражены в тропических широтах. В столь значительной разнице температуры колоссальных объемов воды заложены большие энергетические возможности. Их используют в гидротермальных (моретермальных) станциях, по-другому - ПТЭО - системы преобразования тепловой энергии океана.
Первая такая станция была создана в 1927 г. на реке Маас во Франции. В 30-х годах начали строить моретермальную станцию на северо-восточном побережье Бразилии, но после аварии строительство прекратили. Моретермальная станция мощностью 14 тыс. кВт была построена на Атлантическом побережье Африки, близ Абиджана (Берег Слоновой Кости), но из-за технических неполадок она теперь не работает. Разработки проектов ПТЭО ведутся в США, где пытаются создать плавучие варианты таких станций. Усилия специалистов направлены не только на решения технических задач, но и на поиск путей снижения себестоимости оборудования моретермальных станций, для того чтобы увеличить их эффективность. Электроэнергия моретермальных станций должна быть конкурентоспособной по сравнению с электроэнергией других видов электростанций. Действующие ПТЭО находятся в Японии, Майами (США) и на острове Куба [11].
Принцип работы ПТЭО и первые опыты его реализации дают основание полагать, что экономически наиболее целесообразно создавать их в едином энергопромышленном комплексе. Он может включать в себя: выработку электроэнергии, опреснение морской воды, производство поваренной соли, магния, гипса и других химических веществ, создание марикультуры. В этом, вероятно, заключаются основные перспективы развития таких моретермальных станций [11].
Глава V. Ветер
Ветер был первым энергоносителем, который человек сумел приручить и от которого он отказался, перейдя на углеводородное топливо (См. Приложения 36, 39). Почти столетие для ветра не было серьёзной работы. Но пора его бессрочного отпуска подходит к концу: человечество всё активнее пытается избавиться от нефтяной зависимости. И существенную помощь в этом может оказать одна из мощнейших земных стихий [6].
К началу прошлого века в вопросе использования энергии ветра Россия была в числе самых передовых стран. У нас крутилось более 250 тысяч ветряных мельниц, а их общая мощность зашкаливала за гигаватт. В 1918 году русский профессор В. Залевский создал «полную теорию ветряных мельниц». Хотя правильнее было бы назвать эту работу «теорией ветровых двигателей», поскольку собственного мельничного дела, то есть процесса помола зерна, профессор в ней не касался. Зато в теории был сформулирован ряд требований к эффективной ветроустановки. Чуть позже другой известный русский учёный, Николай Жуковский, организовал в основанном им Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) отдел ветровых двигателей. К этому времени уже стало ясно, что из ветра можно извлекать не только механическую, но и электрическую энергию [6].
Впрочем, совсем отказаться от энергии ветра человек был ещё не готов. В 1931 году недалеко от Ялты заработала спроектированная ЦАГИ крупнейшая в мире промышленная ветровая электростанция (ВЭС) Д – 30 мощностью 100 кВт. В 1934 году под руководством Ю. В. Кондратюка был подготовлен проект гигантской 12 – мегаваттной ВЭС на горе Ай – Петри с башней высотой 165 метров и двумя 80 – метровыми ветроколёсами, размещёнными на двух уровнях. Идею поддержал лично нарком С. Орджоникидзе, и уже в 1936 году в Крыму начались строительные работы. Однако на следующий год, после кончины Орджоникидзе, противники Кондратюка добились сокращения проекта до одноуровневой 5 – мегаваттной установки, а в 1938 году Главэнерго принимает решение прекратить строительство и вообще свернуть любые работы по созданию мощных ВЭС. Всё, что осталось от замысла крымской ветровой суперэлектростанциии – опыт проектирования огромной железобетонной башни, удерживаемой изнутри натянутыми стальными тросами. Спустя три десятка лет эти расчёты пригодились в ходе проектирования Останкинской телебашни [6].
Принятое решение объяснялось не только политическими интригами: интерес к ветру ослабевал повсеместно. Так, в США в 1940 году построили ветроэнергетическую установку мощностью 1250 кВт, которая проработала несколько лет. Когда же одна из лопастей на ней повредилась, ремонтировать её не стали. Оказалось, что установка дизельной электростанции обойдётся дешевле. Темнее менее малые ветрогенераторы (до 30 кВт) продолжали производить. В СССР в 1950–е годы их делали по 9000 штук в год, в основном для северных посёлков и целинных земель. Тогда же на целине была построена ветродизельня электростанция (ВДЭС) мощностью 4000 кВт [6].
Окончательно интерес энергетиков к ветру пропал к началу 1960–х. «Нефтяное» электричество было настолько дешёвым и удобным, что тягаться с ним стало сложно. Хотя ветер и оставался бесплатным энергоресурсом, производство из него электричества вовсе не отличалось дешевизной. С учётом 20–30–летнего срока службы ветроустановок себестоимость электроэнергии доходила на рубеже 1970–х и 1980–х годов до 40 центов за киловатт-час. А тот же киловатт – час, снимаемый с обычной теплоэлектростанции (ТЭС) стоил менее 4 центов [6].
Вместе с эрой электричества начиналась и эпоха нефти. Постепенно выяснялось, что и пшеницу молоть, и воду качать гораздо удобнее и выгоднее с помощью надёжных и дешёвых установок, работающих на угле и соляре, а не переменчивом ветре. К середине 1920 – х годов численность ветряных мельниц в СССР сократилась в три раза [6].
Между тем ещё в начале 1970–х человечество испытало первый нефтяной кризис. Случилось это 16 октября 1973 года вовремя конфликта Израиля с Сирией и Египтом, получившего название Войны Судного дня. В тот день арабские страны объявили, что не будут продавать нефть государствам, поддерживающим Израиль. И уже к вечеру цены на «чёрное золото» подскочили с 3 до 5 долларов за баррель (чуть меньше 160 литров), а за следующий год цены выросли до 12 долларов. В результате, хотя Израиль победил вооруженном конфликте, оказалось, нелегко определить, кто же в итоге извлёк из него больше выгоды. Ведь именно тогда арабские страны почувствовали, что, используя цены на нефть, могут управлять почти всем миром [6].
С тех пор нефтяные кризисы сотрясают планету с завидной регулярностью: в 1979 году – в связи с войной между двумя крупными нефтедобытчиками Ираном и Ираком; в 1990 году – в связи с нападением Ирака на Кувейт; в 2000 году – когда оказалось, что мировая транспортная инфраструктура не справляется с растущими потребностями в нефти. С того времени цена на нефть упорно ползёт вверх [6].
От нефтяной зависимости необходимо освобождаться, это стало очевидно уже во время первых кризисов, поэтому к началу 1980 – х годов исследования и разработки в области альтернативной энергетики были расконсервированы и продолжены.
Самым главным источником ветровой энергии на нашей планете, как и двигателем большинства других земных процессов, служит самая близкая к нам звезда – жёлтый карлик по имени Солнце. Именно его излучение, неравномерно нагревая планету, создаёт в её атмосфере зоны различного давления. Воздух стремится перетечь из зоны высокого давления в зону низкого. Эти перемещения образуют крупномасштабные воздушные течения, которые называются ветром. Принято считать, что он «начинается» со скорости движения воздуха 0, 6 м/сек. Всё, что находится ниже этой черты, определяется как штиль. Однако ветровая энергетика более требовательна, так как для неё необходима скорость ветра, не ниже 5–6 м/сек. Лишь при такой скорости ветрогенераторы начинают вырабатывать энергию надлежащего качества. Оптимальной считается, сила ветра 14–17 м/сек. У поверхности моря такие скорости бывают нечасто, поэтому ветряки устанавливаются на башни высотой десятки метров [6].
Сила, когда-то раздувавшая паруса кораблей и крылья мельниц, сегодня раскручивает лопасти электрических генераторов. Солнце нагревает воздушные массы у экватора, передавая им 72 тераватта энергии в год (См. Приложение 37, 38). Из-за этого поток воздуха непривычно несется к полюсам со скоростью 160 км/ч: там нагрев слабее. Пятой части энергии ветра хватило бы, чтобы покрыть потребности землян. Но как ее заполучить? Пока что люди используют лишь слабые, низовые отголоски ветров - на уровне моря [4].
Особенно преуспевают прибрежные страны, где есть постоянные ветра. Так, например, в Дании 19% электричества производится ветряками. А вообще в мире - лишь 1%. Утешает, впрочем, что ежегодно общая мощность ветрогенераторов на планете увеличивается на 20-35%. Специалисты обещают, что со временем побережья Северного и Балтийского морей покроют целые вереницы ветряков.
Главная проблема - порывистость ветра, то есть непостоянство производства энергии. 50% энергии они производят за 15% рабочего времени, а в остальное время едва функционируют [4].
Правда, ветряные генераторы можно сочетать с солнечными: ведь в ветреный день обычно бывает пасмурно, а в солнечный - безветренно. Такие гибридные электростанции должны работать стабильнее - возможно, за ними будущее.
Две трети ветряных генераторов действует в Западной Европе. Мировой лидер – Германия, по сравнению с ней общая мощность российских станций в 1200 раз меньше.
В докладе организации Greenpeace утверждается: к 2020 году ветроэнергетика будет в состоянии обеспечить 12% мировой потребности в электричестве, с учётом того, что к тому времени эта потребность увеличится на 75 % в сравнении с затратами сегодняшнего дня [4].
Современные ветродвигатели делятся на два основных типа: карусельные, с вертикальной осью вращения, и крыльчатые - с горизонтальной (См. Приложения 40, 41). Последние имеют более привычный вид, напоминающий старые мельницы, только лопастей у них меньше. Строители старинных неторопливо крутящихся ветряков старались сделать больше «крыльев», чтобы лучше использовать силу ветра. Однако эффективность растёт с числом лопастей нелинейно: четыре лопасти не будут вдвое эффективнее, чем две. А с ростом скорости вращения эффективность всё больше зависит от аэродинамических показателей, а не от числа лопастей. Если учесть, что в мощных ветроустановках до 40 процентов стоимости может приходиться на ротор, то становится понятным, почему сегодня у большинства мощных ветряков лишь две – три лопасти (а в некоторых случаях, правда довольно редко, - всего одна с противовесом). Основным параметром, влияющим на мощность установки, является длина лопастей. Она доходит до 60 метров, а то и больше в отдельных случаях. Их длина ограничена скоростью движения концов лопастей, которая не должна превосходить примерно треть скорости звука. К тому же по расчётам инженеров корпорации Boeing, ведущей компании по производству лопастей для промышленных ветрогенераторов, при диаметре ротора более 120 метров растёт риск того, что разновысотные ветры просто разнесут дорогую установку [6].
Чтобы эффективность установки была максимальной, её надо разворачивать перпендикулярно ветру. В маленьких бытовых ветрогенераторах с этой задачей справляется хвостовой стабилизатор, действующий по принципу флюгера. Однако повернуть промышленный ветрогенератор общим весом в десятки, а то и сотни тонн такой стабилизатор уже не в силах, и эти функции возложены на специальную систему управления рысканьем (поворотами по азимуту) [6].
В карусельных ветряках такая система не нужна, и это одно из главных их преимуществ (См. Приложение 42). Работа такой установки не зависит от направления ветра, а высота не ограничена теми максимальными 120 метрами, что останавливают проектировщиков крыльчатых установок. Вдобавок карусельные ветряки начинают работать при значительно меньшей скорости ветра, чем крыльчатые [6].
Простейший карусельный ветряк используется в приборе для измерения скорости ветра – анемометре. На концах горизонтальной перекладины закреплены чашки. В одну из них ветер «задувает», а другую «обдувает» со дна. Ясно, что давление воздуха на первую чашку будет больше, чем на вторую. Перекладина начинает вращаться вокруг вертикальной оси, и чем сильнее ветер, тем быстрее. На ось можно насадить много таких перекладин, а ещё удобнее прикрепить к ней высокие корытообразные лопасти. Теоретически их высота может измеряться хоть километрами [6].
Однако при всех плюсах карусельных ветряков коэффициент полезного использования силы ветра у крыльчатых конструкций пока значительно выше, поэтому и распространены они гораздо шире. Сейчас на их долю приходится более 90 процентов всех промышленных энергоустановок в мире. Положение могут изменить ортогональные карусельные ветряки. В них лопасти – полубочки заменены вертикальными крыльями, сделанными по принципу самолётных. Такой ветряной двигатель сначала надо закрутить с помощью стороннего агрегата, зато, выйдя на рабочий режим, он теоретически способен развить мощность в 20 МВт, В то время как самые мощные «крыльчатки» выдают 5–6 МВт [6].
Ветровых генераторов построено уже немало. Одна только датская фирма Vestas Danich Wind Technology с начала 1980 – х годов возвела по всему миру более 11 тысяч ВЭС. На Западе ветровая энергетика входит в число самых быстрорастущих отраслей энергодобычи [6]. Тут, правда, надо учитывать, что из–за неравномерности ветровой нагрузки реальная энергоотдача ВЭС оказывается в 2–6 раз ниже установленной мощности. Тем не менее, в некоторых странах, например в Дании, доля ветровой энергетики составляет более 20%. А в Испании 22 марта 2008 года дули такие сильные ветра, что местные ВЭС обеспечили в тот день 40, 6% всего энергопотребления страны [6].
Безусловным лидером ветроэнергетики является Германия (См. Приложение 48, 49), где установлено более 22ГВт ветровых мощностей. Здесь работают и крупнейшие мире ветрогенераторы мощностью 6 МВт (компания Enercon, 2005 год) и 5МВт (REpower Systems, 2004 год). Высота башни 5– мегаттного исполина составляет 120 метров, диаметр ротора -126 метров, а гондола (верхняя часть установки, включающая турбину и генератор) весит более 200 тонн. Применение современных технологий, постройка новых мощных генераторов и государственная поддержка позволили значительно снизить себестоимость электричества, производимого на ветряках. Например, в США она составляет 5 центов за киловатт – час при средней скорости ветра 7м/с и всего 3 цента при скорости ветра 9 м/с. Это меньше себестоимости электричества, произведённого на ТЭС (в тех же США – 4, 5–6 центов за киловатт-час). Однако перед ветроэнергетикой стоят и другие проблемы неэкономического характера.
Главный её недостаток – непостоянство. Ветер, как известно, то дует, то нет. И дует отнюдь не равномерно: то слабо, то сильно, то порывами (См. Приложения 43, 45, 46, 53). Получается, что сегодня генератор выдаёт одну мощность, завтра – другую, а послезавтра ветер затих, и электричество совсем пропало. Поэтому, если ветряк обслуживает какой–то конкретный объект, к нему приходится добавлять целый комплекс аппаратуры. Во – первых, требуется инвертор, который преобразует полученную энергию в ток промышленного качества (для России – 220В, 50Гц). Во – вторых, необходима батарея аккумуляторов для выравнивания мощности. В–третьих, – резервный дизель – генератор на случай длительного безветрия. Добавление всех этих агрегатов, которые значительную часть времени будут простаивать, увеличивает себестоимость производимой энергии в 2 – 3 раза. Поэтому, лучший выход – подключение ветрогенераторов к единой энергетической системе. Тогда нехватка электричества от одного ветрогенератора будет компенсироваться избытком другого, а в случае обширного штиля – усиленной работой прочих участников процесса энергопроизводства [6].
Вторая проблема – относительно низкая интенсивность. Средний промышленный ветрогенератор выдаёт порядка 1МВт электрической мощности. На площади в 1 км2 можно разместить десяток – другой таких установок, только тогда они не будут мешать работе друг друга. С учётом непостоянства ветров с 1 км2 можно снимать в среднем 5–10МВт электроэнергии, а для получения 1ГВт понадобится площадь 100 - 200 км2. Для сравнения: Курская АЭС, мощностью 4ГВт вместе со всеми вспомогательными сооружениями и даже рабочим посёлком занимает площадь 30 км2. Стандартный способ решения этой проблемы – отведение под ВЭС пустующих земель либо использование пустующих земель территории ВЭС для выращивания сельскохозяйственных культур. Проще говоря, сдача их в аренду фермерам по сниженным ценам. Кроме того, многие государства стали создавать «Морские ветропарки», застраивая ветряками прибрежные шельфовые зоны [6].
Находиться рядом с действующим ветряком не слишком комфортно, поскольку он изрядно шумит. В этом и состоит третья проблема. Непосредственно рядом с гондолой мощного ветрогенератора интенсивность шума может достигать 100 дБ, как на станции метро, на которую прибывают сразу два поезда. У подножия башни шум составляет около 60 ДБ, как на улице большого города. Чтобы снизить его до приемлемого уровня в 35 – 45 дБ, характерного для тихой улицы или загородного двора, практически во всех странах, где применяются промышленные ветряки, законом установлено, что расстояние от них до ближайшего жилья должно быть не менее 300 метров [6].
Кроме шума есть и другие проблемы, связанные с близким соседством ветрогенераторов и населённых пунктов. Когда в 1986 году англичане установили на Оркнейских островах экспериментальный ветродвигатель, местные жители стали жаловаться НАТО, что он мешает им смотреть телевизор. Снабженные металлическими молниеотводами лопасти генератора создавали мощнейшие помехи для телевизионного сигнала. Пришлось устанавливать на острове дополнительный телевизионный ретранслятор. А жители города Бун (США), возле которого в 1980 году построили ВЭС мощностью 2МВт, стали жаловаться, что у них в шкафах гремит посуда, а с полок падают горшки с цветами. Оказалось, что станция при работе, кроме обычного акустического шума, производила ещё и инфразвук частотой 6 – 7 Гц, неощутимый человеческим ухом, но создающий вибрацию и вообще небезопасный для организма. От этой проблемы почти полностью удалось избавиться путём доработки лопастей генераторов
Между прочим, ремонт ВЭС – тоже непростая задача (См. Приложение 50). Лопасти генератора весом в десятки и сотни тонн надо поднимать на башню высотой 80 метров – почти 30 – этажный дом. Помогают в этом специальные краны, изначально встроенные в башни многих современных ветроэнергетических установок.
Есть и другие проблемы: попадание птиц в лопасти работающих агрегатов, небольшие изменения микроклимата в районах крупных ВЭС, опасность пожара установки от трения деталей, привлекательность башен для молний и, наконец, изменение пейзажа. Но, несмотря на это, генераторы продолжают строить. И не только потому, что дорожает нефть. Не так давно для их использования появился новый стимул – Киотский протокол. ВЭС, в отличие от ТЭС, не выбрасывают в атмосферу ни одного грамма углекислого газа, а значит, не способствуют «глобальному потеплению». На научном языке это называется «нулевой эмиссией» парниковых газов. Для развитых государств, которым протокол предписывает сокращать эмиссию, перевод части энергетики на экологически чистые источники, каковыми являются Солнце и ветер, - достойное и удобное решение [6].
Чему можно научиться у США в области защиты климата?
Можно перенять, например, опыт города Остин в штате Техас, где в 2015 году все новые дома будут строиться таким образом, чтобы они смогли сами себя обеспечивать возобновляемой энергией. К 2020 году 30 процентов всей энергии, потребляемой этим городком с 710 тысячами жителей, будет добываться из возобновляемых источников. Уже сегодня Техас получает больше электричества при помощи энергии ветра, чем Калифорния, здесь расположена самая большая в мире ветряная ферма мощностью 735 мегаватт. Этот бум начался после принятия закона о поддержке использования ветряной энергии, инициированного в1999 году тогдашним губернатором Джорджем Бушем – младшим [5].
Штат Калифорния на западе США стал полигоном новых энерготехнологий (См. Приложение 47). . Здесь пытаются перестроить промышленность и быт таким образом. Чтобы получать как можно больше энергии из возобновляемых источников [5].
Сейчас в Калифорнии работает около 25 тысяч ветряных генераторов, 4500 из них – на ветряной ферме Алтамонт – Пасс неподалёку от Сан-Франциско. К 2030 году энергия ветра сможет обеспечивать 20 процентов всего потребления электричества в США [5].
Вопросы экологии здесь обсуждают постоянно. В 1970–е годы Калифорния стала первым штатом, где на автомобилях начали устанавливать каталитические нейтрализаторы выхлопных газов. Тогда же здесь внедрили программу использования энергосберегающих технологий при производстве электробытовых приборов и строительстве домов. В итоге за последние 30 лет среднедушевое потребление электричества в США выросло на 50 процентов, а в Калифорнии оно осталось почти на том же уровне. Эту программу позже переняли Россия и Китай [5].
Сегодня во многих развитых странах приняты специальные законы, поддерживающие дело строительства ветрогенераторов. Для компаний, которые решаются вложить деньги в это полезное дело, предусмотрено льготное налогообложение и высокая цена покупки электричества государством, снижена арендная ставка на землю, упрошена процедура подключения к общей энергетической системе. В результате подавляющее большинство ВЭС в мире строится сегодня на деньги частных инвесторов [6].
Иное дело в России. К сожалению, от былого лидерства нашей страны в использовании энергии ветра не осталось и следа. В списке 75 стран, в энергосистемы которых входят ВЭС, Россия занимает пятидесятое место. На конец 2007 года общая мощность ВЭС в стране исчислялась 16, 5 МВт. Это в 1350 раз меньше, чем в Германии, в 5,5 раза меньше, чем на Украине (89 МВт) и даже в 2 раза меньше мощностей карликового государства Люксембург (35,3 МВт), по площади сравнимого с городским округом Сочи. Следом за Россией в этом списке следуют Кооперативная Республика Гайана (13,5 МВт) и островное карликовое государство Кюросао (12МВт). Ещё год назад мы занимали 49 – ю строчку, но в прошлом году Россию обошла Республика Чили, запустившая 18 – мегаваттную ВЭС [6].
Это тем более обидно, что экономический потенциал у российской ветроэнергетики огромен. По подсчётам специалистов, он составляет 260 миллиардов киловатт – часов в год, то есть почти треть производства электроэнергии, вырабатываемой всеми электростанциями страны. Крупнейшая в России Куликовская ВЭС в Калининградской области была запущена в 2002 году. Её мощность сегодня составляет 5,1 МВт, за год она выдаёт в среднем 6 миллионов киловатт – часов электроэнергии. Кроме того, работают Анадырская ВЭС (2,5 МВт), ВЭС у деревни Тюпкильды (Башкортостан, 2,2 МВт) и несколько мелких электростанций мощностью до 1,5 МВт [6].
Существует и специально принятая «Программа развития ветроэнергетики РАО ЕЭС России», проработаны и приняты программы строительства крупных ВЭС. Некоторые из них даже начали строить. В 20 километрах от Элисты заложена площадка Калмыцкой ВЭС с планируемой мощностью 22 МВт, существуют проекты Ленинградской ВЭС (75 МВт), Морской ВЭС (Карелия, 30 МВт), Приморской ВЭС (30 МВт), Магаданской ВЭС (30 МВт), Чуйской ВЭС (Алтай, 24 МВт), Усть – Камчатской ВДЭС (16 МВт) и так далее. В 2005 году совместно с датской фирмой Ramboll и Датским энергетическим управлением было начато строительство Морского ветропарка мощностью 50 МВт в Калининградской области. В планах была установка на морском побережье 25 мачт высотой 60 метров с 2–мегаваттными ветрогенераторами. Однако в 2007 году реализация этих проектов была приостановлена из–за отсутствия государственной поддержки. По нашим законам экологически чистые ВЭС ничем не отличаются от ТЭС или АЭС. Они облагаются теми же налогами, их совсем не просто встроить в общую энергосистему, а хозяева должны сами обустраивать инфраструктуру, подводить ЛЭП, оборудовать подъездные пути и прочее. В результате ВЭС в России используется недостаточно эффективно (пример тому Куликовская ВЭС со средней энергоотдачей 13% от установленной мощности), и, как следствие, ветровой киловатт-час обходится дороже атомного. А раз так, то лучше пустить деньги на строительство АЭС. Что у нас пока и делают [6].
Перечисленные выше проекты пока не закрыты, и их сторонники ещё не отказались от своих планов – и спонсоры, и разработчики ждут принятия российскими законодателями «Закона о малой энергетике». А на Западе тем временем вводят новые мощности и создают новые конструкции.
По прогнозам WWEA, общие мощности мировой ветроэнергетики в 2010 году вырастут до 170 ГВт, то есть почти вдвое по сравнению с 2007 годом. К этому времени Великобритания планирует построить 2000 ветряных ферм и довести долю ветровой энергии в своём балансе до 10%. США намереваются за этот же период увеличить свои ветровые мощности в пять раз [6].
В мае 2005 года климатологи Кристина Арчер и Марк Джекобсон из Университета Стэнфорда составили глобальную планетную карту ветров на высоте 80 метров (См. Приложение 44). По словам учёных, энергия ветров планеты более чем в 100 раз превышает энергию её рек. Пользуясь новой картой, современные ветроэнергетики могут теперь выбирать самые ветреные участки для строительства своих установок. В России наиболее перспективны в этом смысле районы Обской губы, Кольского полуострова, прибрежная полоса Дальнего Востока. Средняя скорость ветра здесь держится на уровне 11 – 12 м /с. Существуют на территории России и более ветреные места. Например, на островах, расположенных рядом с Владивостоком, на высоте 150 метров скорость ветра никогда не опускается ниже 11 м/с. А ведь 150 метров – это 50–метровая башня на 100–метровом холме [6].
Но ветряк можно поднять и выше. Причем для этого вовсе не обязательно строить гигантские башни. Компания Magenn Power например, планирует для этого просто скрестить карусельный ветряк с дирижаблем. То есть использовать в качестве оси вращения ротора заполненный гелием аэростат. Предложенная конструкция, получившая название MARS (Magenn Power Air Rotor System), поднимается на высоту около 3000 метров, где средняя скорость ветра может доходить до 20 м/с, и там уже вращается, передавая вырабатываемый ток по кабелю на землю. У такой конструкции есть целый ряд преимуществ. Она практически не занимает места на земле, мобильна, да и шума от неё особого нет. Компания планирует построить первый гелиевый ветряк к концу будущего (2008) года. Заказы на воздушные генераторы уже принимаются. Мощность их будет пока небольшой, от 10 до 25 кВт, чего, впрочем, с лихвой должно хватить, например, для полного энергоснабжения средних размеров коттеджа. Ориентировочная стоимость – от 3 до 5 тысяч долларов за киловатт мощности [6].
Но и 300 метров над землёй для ветрогенераторов – далеко не предел. Профессор Брайан Робертс из Сиднейского технологического университета и американская компания Sky WindPower предлагает поднять их ещё выше – на 4, 5километра. Установка FEG (Flying Electric Generators) внешне напоминает вертолёт с четырьмя несущими винтами. Для полёта она использует принцип воздушного змея, рабочую поверхность которого как раз и составляют эти четыре винта, они же – роторы ветрогенераторов. По расчётам, стоимость производимого FEG электричества не превысит 2 центов за киловатт-час. Уменьшенная модель аппарата уже прошла успешные испытания, и сейчас разработчики ищут инвестора, готового заплатить 3 миллиона долларов за первый промышленный экземпляр. Что называется, бросить деньги на ветер. В самом прямом и выгодном смысле [6].
Факты.
Самые большие ветряки построены под Магдебургом в Германии, их высота - 135 метров.
В пятёрку лидеров ветроэнергетики входят также США (16, 8ГВт), Испания (15,1ГВТ), Индия (7, 9ГВт) и Китай (6ГВТ) [6].
По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), суммарная установленная мощность ВЭС в мире увеличивается на 25–27% в год, и в конце 2007–го достигла 94ГВт – это примерно 1, 3% от всего объёма потребляемой человеком энергии [6].
В феврале 2008 года в своё первое плавание по маршруту Германия – Венесуэла отправилось грузовое судно Beluga SkySails. В этом не было бы ничего необычного, если бы судно не оказалось первым океанским «грузовиком», приводимым в движение настоящим воздушным змеем. Правда, кайт, как на технологическом языке называется змей, тащит корабль не в одиночку, а вместе с судовыми двигателями, но его применение позволяет экономить около 20% топлива. Проекты использования в помощь морякам ветра существовали и раньше, но идеи новых парусников разбивались о необходимость оборудовать их гигантскими мачтами. Парусу этого корабля мачты не нужны, а управление им полностью компьютеризировано. Даже точка крепления буксировочного троса к корпусу выбирается в зависимости от того, куда и с какой скоростью должен идти корабль и куда дует ветер (См. Приложение 51).
На башни – близнецы Всемирного торгового центра в столице Бахрейна Манаме, которые соединяют перекрытия, установлены ветряные турбины, снабжающие электроэнергией торговый центр (См. Приложение 52).