Тепловое загрязнение атмосферы и альтернативная энергетика

Использование солнечных концентраторов позволяет быстро достигнуть мегаваттного уровня мощности солнечных фотоэлектрических станций при двух-пятикратном снижении их стоимости.

В России созданы два принципиально новых солнечных концентратора: квазистационарного и стационарного типов. В квазистационарном концентраторе один раз в сутки производится коррекция, связанная с изменением склонения Солнца, а концентрированное солнечное излучение от отдельных концентраторов суммируется и по световоду направляется к приемнику. Площадь концентраторов и световодов может достигать нескольких квадратных километров, а передаваемая мощность концентрированного солнечного излучения – одного миллиона киловатт.

В соответствии с законами физики, нельзя создать стационарные концентраторы круглогодичного действия с коэффициентом концентрации более 2.5. Однако это ограничение справедливо только для приемника с одной рабочей поверхностью. Использование солнечных элементов с двухсторонней рабочей поверхностью, созданных в России еще в 70-е годы, позволило увеличить коэффициент концентрации стационарных концентраторов до 5. Особенно эффективно использование новых стационарных солнечных модулей с концентраторами для фасадов и крыш зданий и получения электрической энергии и тепла.

Известно, что показатели рождаемости во всех странах снижаются обратно пропорционально росту потребления электрической энергии на человека. 90% новых землян рождается в развивающихся странах, где 2 млрд. человек не имеют доступа к электроэнергии. В то же время развивающиеся страны, по сравнению со странами Европы и Северной Америки, имеют в 1.5-3 раза больше солнечной энергии, поступающей на единицу площади территории. Новые технологии получения электроэнергии из энергии Солнца будут использованы, в первую очередь, для автономного энергоснабжения сельских районов, удаленных от энергетической системы.

В третьем тысячелетии развивающиеся страны смогут использовать сезонное изменение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных батарей, в северные страны, где солнечная энергия имеется в изобилии только с марта по сентябрь. Для этого необходимо организовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнергетические потоки в широтном направлении Запад-Восток дадут возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси.

Компьютерное моделирование показало, что если установить две солнечные электростанции общей мощностью 187 млн. кВт, одну на Чукотке, а другую в Калининграде или в Бресте, и соединить их линией ЭП с малыми потерями, то такая солнечная энергосистема с 20 апреля по 20 августа будет круглосуточно производить электроэнергию, полностью удовлетворяющую энергетические потребности России. 20 марта и 20 сентября эта система будет работать 22.7 часа в сутки, а 1 марта и 1 октября перерыв в работе в ночное время составит 2 часа.

По расчетам, выработка электроэнергии солнечной энергосистемой за 6 месяцев составит 420 млрд. кВт*ч, то есть ровно столько, сколько произвели за 6 месяцев 2000 г. 600 электростанций России общей мощностью 207 млн.кВт. При КПД 15% площадь каждой солнечной электростанции составит 25х25 км, а пиковая мощность – 93.5 млн.кВт.

Морская  энергетика.

Волновая энергетика. Волны – непременное явление на поверхности любого водоема. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет 30% потребляемой в мире энергии. Целесообразность размещения волновых электростанций (ВЭС) определяется региональными особенностями и прежде всего плотностью приходящей энергии, т.е. ее значением на единицу длины волнового фронта.

Функциональный принцип работы ВЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и пульсаций в однонаправленное усилие, которое в дальнейшем приводит во вращение вал электродвигателя.

ВЭС могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега. Преобразователи волновой энергии любых типов в определенной степени влияют на изменение волнового режима.

Накопленный опыт показывает, что наиболее благоприятное влияние на окружающую среду оказывают установки, размещенные в акватории вблизи берега, где происходит интенсивное формирование прибрежной полосы. Это объясняется тем, что основным источником энергии для береговых процессов являются волны. Волны, трансформируясь и разрушаясь в пределах прибрежной полосы и заливаемой при волнении части суши, вследствие уменьшения глубины расходуют энергию в основном на реформирование подводного берегового склона, перемещение прибрежных наносов и построение аккумулятивных береговых форм.

При использовании установок, размещенных в акватории или на берегу, амплитуда волн ослабляется, что изменяет характер их воздействия на береговую зону и на динамику придонных волн.

Как и всем ВИЭ, волновым процессам присущи некоторые недостатки: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени. Однако главным преимуществом является то, что эти устройства экологически чистые.

Энергетика течений. Одним из перспективных направлений является использование энергии океанских течений (Голфстрим, Куросио и т.д.). преобразователи океанских течений в зависимости от принципа действия подразделяют на водяные и объемные насосы. При недостаточном заглублении преобразователей возможно изменение температуры воды вследствие торможения потока и турбулентного перемешивания воды, что может отрицательно сказаться на обитателях поверхностных слоев океана.

Приливная энергетика. Причиной колебаний уровня Мирового океана является приливообразующая сила, возникающая при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. В экологическом отношении приливные станции – наиболее «чистые» энергоисточники, так как после происшедших изменений в уровне моря через некоторое время положение стабилизируется, приводя к новому экологическому равновесию.

Водородная энергетика.

Водород – универсальный вторичный энергоноситель и экологически чистое топливо. Утверждение о том, что в обозримом будущем водород в этом качестве будет все более широко использоваться в технологически развитых странах, является сегодня общепризнанным.

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.

Естественно, что направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в различных странах различаются. Это связано и с неравномерной обеспеченностью природными энергоресурсами, и с существующими особенностями их технологического развития.

Топливные элементы. В настоящее время в США и Канаде основные НИОКР проводятся по созданию топливных элементов (ТЭ) двух типов: с твердополимерным электролитом (PEM FC) и высокотемпературных с твердоокисным (SOFC).

К настоящему времени созданы и успешно проходят испытания энергетическая установка на базе твердоокисных ТЭ мощностью 100 кВт с КПД по электричеству – 46% и 80-85% при утилизации тепла (ресурс работы свыше 20 тыс.час.) и установка комбинированного типа мощностью 200 кВт.

Водородные технологии для автотранспорта. Это направление НИОКР развивается в последние годы наиболее активно. Основные направления работ – создание автомобилей с PEM FC и электроприводом, автомобилей с ДВС и автомобилей с гибридной двигательной установкой. Созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие годы.

Водородные технологии для энергетики. Основные направления работ – системы водородного аккумулирования электроэнергии, автономные энергоустановки мощностью до 220 кВт с использованием ДВС, микротурбин и топливных элементов, мощные водородосжигающие энергоустановки паротурбинного цикла с водородными парогенераторами, энергоустановки на базе возобновляемых энергоресурсов с производством водорода электролизом воды (ветро-солнечно-водородные) мощностью до нескольких мегаватт. Характерная особенность работ последних лет – переход от создания ключевых элементов энергоустановок к созданию универсальных систем, полностью обеспечивающих потребителей энергией.

Таким образом, при дальнейшем развитии технологий использования ВИЭ станет возможным значительно увеличить показатель самообеспеченности энергоресурсами многих развитых стран. Человечество сможет объединять и концентрировать свои экологически чистые энергетические ресурсы для создания достойных условий жизни каждому человеку и реализации крупных проектов на Земле и даже в космическом пространстве.

Использованная литература.

1. На основе статей журнала «Энергия: экономика, техника, экология». Выпуски 3’2001г;

           4’2002 г;

          9’2002 г;

           1’2003 г;

          8’2005 г.

   2. Инженерная экология и экологический менеджмент/ М.В. Буторина, П.В. Воробьев, А.П. Дмитриева и др.: Под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина. – М.:

Логос, 2001. – 528 с.: ил.

2