Другие виды альтернативной энергетики. Энергия воды

Некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода, ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии является Мировой океан - он поглощает большую часть энергии, поступающей от Солнца. Используют также приливы и отливы, океанские течения, мощные реки, которые несут огромные массы воды в моря и океаны. Раньше все люди научились использовать энергию рек.

Энергия воды (гидроэнергия)

Энергия воды, или биоэнергия, также является превращенной энергией Солнца. Падение воды издавна использовалось для вращения лопастные колес и турбин. Вода была первым источником энергии, а первой машиной, с помощью которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Более 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками: поток воды, отведенный из ручья или реки, давил на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки двигались, а поскольку они были жестко скреплены с валом, то вращался вал. К нему в свою очередь прикреплялось мельничный жернов, который вместе с валом вращалось относительно недвижимого нижнего жернова. Именно так работали первые "механизированные" мельницы для зерна. Но сооружали только в горных районах, где реки и ручьи были большие перепады и сильное давление.

Вода, которую еще в древние времена использовали для выполнения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии, теперь уже электрической. Энергия падающей воды, вращает водяное колесо, служила непосредственно для размола зерна, распиловки древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на реках стали исчезать, когда в 30-х годах XIX в. началось производство электроэнергии у водопадов.

На современной гидроэлектростанции (ГЭС) масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода течет через защитную сетку и регулируемый затвор стальным трубопроводом к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генератору и там превращается в электрическую. После этого вода стекает в реку через туннель, постепенно расширяется, теряя при этом свою скорость.

По мощности ГЭС делятся на мелкие (с установленной мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (более 20 МВт); за давлением - на низконапорные (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (более 100 м). В отдельных случаях дамбы высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Они сосредотачивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень. Турбина - энергетически очень выгодна машина, потому что в ней вода легко меняет поступательное движение во вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровые турбины). На типовых ГЭС КПД нередко составляет 60-70%, то есть 60-70% энергии нисходящей воды превращается в электрическую.

Сооружение гидростанций стоит дорого, и они требуют значительных эксплуатационных затрат, зато их "топливо" бесплатное и ему не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии является Солнце, испаряет воду из океанов, морей и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя выпадает в возвышенных местностях и стекает вниз к морю. Гидростанции строят на пути этого стока для перехвата энергии движения воды - энергии, которая в противном случае была бы израсходована на перенос отложений к морю.

Поэтому гидроэнергетика не совсем безвредной для окружающей среды.

Рассмотрим некоторые негативные последствия для природы, связанные с сооружением плотин на реках. Когда течение реки замедляется, как это обычно происходит при попадании ее вод в водоем, зависший осадок начинает опускаться на дно. Ниже водохранилища чистая вода, попадая в реку, гораздо быстрее размывает речные берега, будто восстанавливая тот объем осадков, который был утрачен в водохранилище. Итак, усиление эрозии и абразии берегов ниже по течению от водохранилища - обычное явление.

Дно водоема постепенно покрывается слоем осадков, который периодически выступает на поверхность или снова затопляется, когда уровень воды падает и поднимается в результате сброса воды или прилива. Со временем осадков накапливается столько, что они начинают занимать значительную часть полезного объема водохранилища. Это означает, что водохранилище, сооруженное для хранения запасов воды или контроля за наводнениями, постепенно теряет свою эффективность. Накоплению большого количества осадков в водохранилище можно частично предотвратить, если осуществлять регулярный контроль за количеством обломочного материала, снесенного потоками воды.

Невидимые до поры до времени кучи осадков, которые становятся видимыми только при низкого стояния воды в водоеме, - не единственная причина, по которой многие выступают против строительства плотин. Есть и другая, более важная: после заполнения водохранилища под водой оказываются ценные земли, без возможности восстановления. Исчезают также ценные животные и растения, причем не только сухопутные; рыбы, населяющие перегороженную плотиной реку, тоже могут исчезнуть, поскольку плотина преграждает путь к местам их нереста.

Есть и другие проблемы, связанные со строительством плотин и водохранилищ. В определенные периоды качество воды в водоеме и, соответственно, качество воды, выпускаемой из него, может быть очень низкой. В течение лета и осени нижние слои воды в водоеме збидниються кислородом, что обусловлено одновременным действием двух процессов: неполным перемешиванием воды и бактериальным расписанию отмерших растений в донных слоях, требует большого количества кислорода. Когда эта бедная кислородом вода выпускается из водохранилища, прежде всего страдают рыбы и другие водные организмы ниже по течению.

Несмотря на все это, преимущества ГЭС очевидны - постоянно восстановительный самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.

Сегодня для работы ГЭС на реках созданы водохранилища, часто даже каскады водохранилищ. Реальный гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2 900 ГВт, а практически для производства гидроэлектроэнергии используется менее 1000 ГВт. В мире сейчас работают десятки тысяч ГЭС. То есть пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образующиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. В случае задержания их с помощью дамб, человечество получило бы дополнительно огромное количество энергии.

С давних времён люди, наблюдая за тем, как текут реки, с высоких гор ниспадают «локоны» водопадов, поняли, что можно использовать энергию воды в собственных целях.

Момент осознания этой возможности – стал переломным для цивилизации: на берегах рек и у водопадов стали строить мельницы, лесопилки и прочие технологические сооружения, которые в своей работе использовали силу водных потоков. С изобретением электричества, необходимость в строительства подобного рода сооружений именно у источников воды отпало – для привода в действие механизмов стали использовать энергию электрического тока.

Но её величество вода недолго оставалась в стороне: с быстро растущей потребностью в электроэнергии человек начал задумываться над тем, как получить это самое электричество при минимальных затратах. И вот в конце прошлого века, а точнее – в 80-е годы – началась эксплуатация гидроэлектростанций, преобразующих энергию воды в электрический ток. Конструкции гидроэлектростанций могут быть самыми разнообразными. К примеру малые гидроэлектростанции могут представлять из себя здания из металлоконструкций с установленным в них оборудованием разной мощности.

Среди многих методов получения электричества из энергии водных потоков преобладают два:

Первый из них использует такое явление, как океанские приливы . Процесс прилива объясняется воздействием гравитационного поля луны на огромные массы океанских вод. Действие приливов проявляется в повышении уровня воды в регионе, находящемся на минимальном расстоянии от ночного светила и повторяются с цикличностью 2 раза в сутки и привязаны к положению Луны и времени года. Влияние Солнца на океанские приливы – намного меньше из-за несоизмеримо большего расстояния его от земли по сравнению с Луной.

Высота подъёма уровня воды при приливах не превышает 0,5м. В тех же случаях, когда перемещение воды ограничены, волны могут достигать высоты 5-10м. Действие приливной энергии идёт на то, чтобы заполнит резервуар, образованный дамбой. Поток воды, образующийся при отливе, целесообразно использовать в качестве движущей силы, аналогично тому, как это происходит на гидроэлектростанциях. Мест, подходящих под строительство приливных электростанций, во всём мире не так уж и много. Для обоснованности строительства таких станций необходимо, чтобы разность уровней воды во время прилива и отлива достигала таких показателей, которые позволяли бы использовать образующуюся силу для преобразования в электроэнергию. Некоторые учёные говорят о возможности использования в этих же целей энергию океанских и морских волн. Но степень целесообразности данного предложения весьма смутна, в силу рассеянности данного вида энергии на большой площади и практически невозможности её концентрации.

Кроме энергии приливов-отливов, течений и волн имеется также тепловая энергия океанов, которую, теоретически, возможно использовать на нужды человечества. По некоторым подсчётам при использовании приливов, можно получить 780 миллионов кВт электроэнергии. Под действием солнечных лучей вода из водоёмов испаряется, достигая определённой высоты, конденсируется и затем выпадает в виде дождя. Стекая с более высоких мест в низину, образовывает бурные потоки и водопады . На этом-то этапе и выгодно использование гидроэлектростанций , для преобразования энергии воды в электрическую.

В отличие от первых гидростанций, которые использовали течение рек в их первозданном виде, современные ГЭС строятся на искусственных дамбах, позволяющих многократно увеличить энергетический потенциал реки, путём повышения высоты падения воды.

Прогресс не стоит на месте, и сегодня изобретены турбины, получать достаточное количество энергии при меньших отливах и приливах, чем ранее.

В качестве вывода хочется заметить, что доля энергии, вырабатываемой всеми ГЭС мира, на сегодняшний день составляет всего 20% от всего мирового энергетического запаса. В плане развития данной отрасли в наиболее выгодном положении находятся страны третьего мира.

Традиционные энергоресурсы не вечны и рано или поздно закончатся, а с учетом возрастающего энергопотребления это произойдет скорее рано, чем поздно, поэтому так важно использование альтернативной энергии.

С давних пор люди, наблюдая за течением рек и падением водопадов, поняли, как можно использовать энергию воды.

Что может быть проще и гениальнее водяной мельницы?

Вода, вращая колесо, преобразует кинетическую энергию движущегося потока в механическую работу колеса. Современные гидроэлектростанции работают на том же принципе, но на них механическая энергия дополнительно превращается в электрическую.

Энергия приливов и отливов

Долгое время, периодически повторяющиеся, приливы и отливы не могли объяснить. Сейчас уже понятно, что Солнце и Луна своей гравитацией создают неравномерное распределение воды в океане.

Появляются водяные «горбы», которые за счет вращения земли перемещаются к берегу. Но из-за вращения меняется и положение океана, что вызывает уменьшение гравитации.

Прилив заполняет специальные резервуары, которые образуют дамбы на берегу. Во время отлива вода движется обратно и этот поток вращает турбины.

Чем больше разница высот прилива и отлива, тем большая энергия используется. была как можно больше. Поэтому выгоднее создавать приливные электростанции в узких местах, где разница высот не менее 10 метров. Примером может служить приливная электростанция в устье реки Ранее во Франции.

К недостаткам таких станций можно отнести то, что при создании дамбы увеличивается амплитуда приливов, а это приводит к затоплению суши соленой водой и, как следствие, изменяется экология.

Энергия морских волн

Природа энергии морских волн схожа с энергией приливов, но все же принято рассматривать ее отдельно.

У этой энергии довольно большая удельная мощность - средняя мощность волнения океана 15 кВт/м, при высоте волны около двух метров, это значение может достигать 80 кВт/м. Но это примерные данные, т.к. не вся энергия морских волн превращается в электрическую - коэффициент преобразования 85%.

Из-за сложности создания установок, использование энергии морских волн не нашло широкого применения и находится только на стадии освоения.

Но если она будет освоена, то можно быть уверенным, что современная энергетика перестанет быть глобально зависимой от ископаемых источников энергии: угля, нефти и газа.

Гидроэлектроэнергетика

Энергия водного потока доступна человеку еще со времен создания мельниц.
Сейчас на пути потоков воды ставятся гидроэлектростанции, которые преобразуют эту энергию в электрическую.

Мощность энергии зависит от высоты падения, поэтому на ГЭС строят плотины, которые позволяют регулировать уровень подъема и величину потока воды.

Создание мощной ГЭС трудоемко и очень дорого, но со временем полностью себя окупает, т.к. водные ресурсы неисчерпаемы и доступны в любое время.

К недостаткам создания ГЭС можно отнести:

• зависимость строительства от больших запасов энергии воды
• затопление плодородных земель
• опасность строительства на горных реках из-за высокой сейсмичности
• влияние затопления и нерегулируемого сброса воды на экосистему.

Уменьшают это влияние новые методы работы станций и одним из таких методов стали аккумуляторы воды.

После того как вода проходит через турбины она накапливается в больших резервуарах и когда нагрузка на ГЭС минимальна, то за счет энергии тепловой или атомной станции накопленная вода перекачивается обратно наверх и цикл повторяется.

Во Франции придумали использовать энергию падающего дождя!

Попадая на пьезокерамический элемент, каждая капля вызывает возникновение электрического потенциала. Затем электрический заряд видоизменяется в колебания, пригодные для использования.

Гидроэнергетика сейчас уже развита во многих странах и составляет 25% от общего объема электроэнергии. А темпы ее развития позволяют считать ее очень перспективным направлением.

Осадчий Г. Б., инженер

Известно, что первоисточником гидроэнергии является солнечная энергия. Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечного излучения, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков выпадает в виде дождя и снега. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной энергии, таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.

Гидроэлектростанции (ГЭС) могут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии. При сооружении гидроэлектростанции обычно предполагается решение комплекса задач, а именно: выработки электроэнергии, улучшение условий судоходства и орошения. При наличии водохранилищ ГЭС может быть целесообразно использована для работы в пиковой части суточного графика объединенной энергосистемы с частыми пусками и остановками агрегатов. Это позволяет агрегатам части атомных и тепловых станций работать в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт∙ч электроэнергии в энергосистеме.

Однако, при относительной экологической чистоте ГЭС огромные водохранилища представляют большую потенциальную угрозу.

По статистическим данным в большинстве случаев аварии плотин отмечаются в период их строительства или в начальные период эксплуатации - в течение 5 – 7 лет после наполнения водохранилища. За это полностью проявляются дефекты производства работ, устанавливается фильтрационный режим, и определяются деформации сооружения. Затем наступает длительный период - около 40 – 50 лет, когда состояние сооружения стабилизируется и аварии маловероятны. После этого опасность аварий вновь увеличивается в результате развития анизотропии свойств, старения материалов и пр. Сейчас в России средний износ гидротехнических сооружений, определяемый по сроку службы, на самых крупных российских ГЭС мощностью более 2000 МВт составляет 38 %, а по ГЭС мощностью от 300 до 2600 МВт - 45 %.

В зонах риска каждого крупного водохранилища (емкостью более 10 млн м 3) расположено более 300 населенных пунктов с населением до 1 млн человек, а также многочисленные объекты экономики

Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии ГЭС не будет превышать 5 %.

Весной через створы существующих ГЭС проходит в среднем 60 % годового стока воды . При этом от 10 до 25 % годового стока воды гидроэлектростанции сбрасывается вхолостую из-за отсутствия регулирующей емкости водохранилища. Это, в первую очередь касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, в результате чего в течение года и, особенно во время весенних паводков заливаются слишком большие площади полезных земель.

Под стать размерам водохранилищ и площади сбора воды для них. Реки питаются водой с огромных площадей (таблица 1).

Таблица 1 – Данные о речном стоке отдельных стран мира

Как видно из таблицы 1 удельная водность питающих реки водой бассейнов поразительно низкая, в то время как современная «ветровая ферма» в европейских климатических условиях может обеспечить генерацию 12 – 16 МВт электроэнергии с 1 км 2 занимаемой площади.

В то же время при относительно низкой удельной водности малые поверхностные водотоки горных районов несут в себе много холода , который можно использовать в паросиловых (термодинамических) циклах для расширения интервала температур теплосилового цикла малых энергоустановок, за счет снижения температуры нижней части цикла.

Как известно, чем южнее расположена та или иная территория, тем летом там жарче и труднее найти в достаточных объемах холода (холодной воды) для эффективной работы теплосилового цикла гелиоводотема, гелиоэлектростанции или гелиохолодильника. Исключения, как правило, составляют горные и предгорные области, где малые водотоки (ручьи, ручейки и родники), не представляющие никакого интереса для гидроэнергетики, протекая, уносят безвозвратно огромное объемы холода на равнинные территории.

Этот холод малых водотоков можно использовать, совместно с энергией солнечных соляных прудом, вместо холода котлованов со льдом , которые актуальны для равнинных территорий .

Для создания гелиоэнергетики, способной конкурировать с традиционной также как и для геотермальной энергетики подходит идея нового, «холодного», направления в развитии теплоэнергетики.

«Холодное» направление непосредственно связанно с привлечением научного задела и опыта, накопленного как в энергетике, так и в холодильных производствах, в том числе автором данной статьи .

Представлено это направление д.т.н. Бродянским В.М. в следующем виде: «До последнего времени основным препятствием в сближении низкотемпературной техники и теплоэнергетики было традиционное применение воды в качестве единственно возможного и незаменимого рабочего тела на крупных электростанциях всех типов , как КЭС, так и ТЭЦ. Достоинство воды в отношении как термодинамическом, так и технико-экономическом хорошо известны.

Увеличение термического КПД паросилового цикла (преобразователя) может быть достигнуто, как известно из термодинамики, при прочих равных условиях только двумя путями. Первый их них - это повышение температурного уровня подводимого тепла, как в самом паровом цикле, так и посредством подключения «надстроек»: от МГД (магнитодинамических генераторов) до газовых турбин. Газотурбинный вариант оказался практически наиболее приемлемым и позволил поднять термический КПД электростанций примерно до 60 %.

Однако дальше «двигаться вверх» становится все труднее и дороже, тем более что незыблемым законом термодинамики каждый градус повышения температуры дает все меньший дополнительный энергетический эффект. В этой ситуации, естественно, представляется целесообразным идти по второму пути повышения КПД - расширить теплосиловой цикл «вниз». Здесь по тем же законам термодинамики «каждый градус все дороже», но термический КПД цикла растет при прочих равных условиях в результате его расширения «вниз» гораздо быстрее, чем при движении «вверх» (таблица 2).

Для нашей страны (и ряда других стран северного полушария), где температура окружающей среды в большинстве районов значительную часть года держится намного ниже 0 ⁰С, такое расширение границ цикла диктуется природными условиями. По климатическим условиям близким к России: Исландия, Северный , Канада и северная часть (Аляска).

Таблица 2 – Работа теплосилового (прямого) цикла Карно, Дж, при различных температурах источника (Т г) и приемника (Т о.с.) тепла

Из таблицы 2 следует, что во всех случаях - при высоких температурах подвода тепла Т г (1000 – 1500 ⁰К) и относительно низких (800 – 600 ⁰К) - отводимая работа при понижении Т о.с. существенно возрастает. Важ

но, что наибольший рост наблюдается в циклах с более низким уровнем Т г. Так, для цикла с Т г = 1500 ⁰К увеличение отводимой работы при Т о.с. = 240 ⁰К по сравнению с Т о.с. = 300 ⁰К составляет примерно 5 %, а при Т о.с. = 250 ⁰К около 4 %; в цикле с Т г = 1000 ⁰К увеличение работы при том же изменении Т о.с. существенно больше: примерно 8 и 7 % соответственно

Самое значительное увеличение термического КПД (около 16 %) соответствует относительно невысокой температуре Т г, равной 600 ⁰К. Этот факт заставляет задуматься над некоторыми практическими возможностями реализации таких циклов в теплоэнергетике.

На рисунке 1 приведены схемы возможных вариантов использования низких температур окружающей среды и температурные интервалы соответствующих циклов.

а – варианты теплосилового цикла; б – верхний и нижний рабочие интервалы температур

Рисунок 1 – Схема вариантов использования низких температур окружающей среды Т о.с. в теплосиловом цикле.

Всякое расширение интервала температур теплосилового цикла, теоретически ведущее при прочих равных условиях к повышению его термического КПД, связано, как известно, с необходимостью увеличения отношений давлений испарения и конденсации.

Возможности уникального в этом отношении вещества - воды - в современной теплоэнергетике, практически исчерпаны.

Поэтому на верхнем, «горячем», участке цикла часть перепада температур используется уже вне парового цикла, например, в газовой турбине. У современных атомных и геотермальных электростанций (по самой их природе) верхняя температура рабочих циклов ограничена, поэтому никаких других реальных возможностей существенного расширения температурного интервала работы пароводяных циклов у этих электростанций в обозримой перспективе нет.

Что касается нижней части цикла, необходимость в высоком вакууме исключает использование воды как рабочего тела при температурах даже приближающихся к нулю, не говоря о более низких. Поэтому современная «большая» теплоэнергетика вынуждена пока работать в условиях, диктуемых свойствами воды. Между тем «расширение» интервала температур работы тепловых электростанций остается в числе актуальных проблем повышения эффективности теплоэнергетики. И здесь есть только один путь - «вниз». Его предопределяют не только законы термодинамики, но и климатические условия, как в России, так и некоторых других стран.

Попытки использовать в теплоэнергетике другие рабочие тела, например, некоторые из применяемых в холодильной технике, рассматривались до последнего времени большинством специалистов-энергетиков как экзотика, хотя изредка и обсуждались в литературе.

Однако тематика обсуждения не выходила за рамки классических температур теплосилового цикла, без какого либо учета возможности и целесообразности переноса его нижней границы в область, близкую к нулю и, тем более - в область отрицательных температур. Для «водяной» теплоэнергетики это невозможно. Кроме того, возникают , пугающие кажущейся сложностью, главная из которых состоит (кроме выбора рабочего тела) в непостоянстве (включая сезонность) температуры окружающей среды - воздуха.

Очевидный и основной положительный фактор, определяющий целесообразность создания низкотемпературных паросиловых установок (преобразователей) - отсутствие в системе вакуума: во всех точках системы, в том числе в конденсаторе, поддерживается даже при самом «холодном» режиме давление, превышающее атмосферное. Это позволит существенно уменьшить объемы и массу оборудования низкотемпературной части установки.

Низкотемпературная теплоэнергетика должна занять законное место в системе энергоснабжения нашей страны, и упускать связанные с ней возможности не следует» .

«Холодное» направление развития теплоэнергетики особенно актуально для индивидуальных малых гелиоустановок на базе солнечного соляного пруда , поскольку температурный уровень подводимого тепла к преобразователю энергии не превышает 100 ⁰С.

Для выявления преимуществ охлаждения радиатора преобразователя холодной водой, определим по циклу Ренкина с рабочим телом - бутадиен-1,3 (дивинил) (С 4 Н 6) (температура кипения минус 4,47 ⁰С при давлении 760 мм рт. ст.) по данным , КПД преобразователя при охлаждении его радиатора:

а) проточной (перекачиваемой) водой для интервала температур 80 – 30 ⁰С: при i’ 1 = 570,32 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 30 ⁰С; i» 1 = 950,22 кДж/кг, i» 2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 30 и 80 ⁰С.

η в = (i» 2 — i» 1)/(i» 2 — i’ 1) = 13,0 %;

(с фреоном ФС318 (температура кипения + 6 ⁰С при давлении 760 мм рт. ст.) КПД, рассчитанный по этой же формуле, будет 23,1 %)

б) льдом для интервала температур 80 – 10 ⁰С: при i’ 1 = 524,90 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 10 ⁰С; i» 1 = 926,10 кДж/кг, i» 2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 10 и 80 ⁰С.

η л = (i» 2 — i» 1)/(i» 2 — i’ 1) = 16,8 %.

(с фреоном С318 КПД, рассчитанный по этой же формуле, будет 28,4 %)

Следовательно, КПД преобразователя за счет охлаждения его радиатора льдом повышается для дивинила в η л /η в = 1,29 раза, а для фреона ФС318 в 1,23 раза

В статье приводятся данные предварительных расчетов энергии, вырабатываемой водометом (преобразователем энергии) за счет охлаждения его радиатора льдом/талой водой, и сравнение с энергией потока воды приводящего в действие гидротурбину.

А в статье приведена схема использования холода малых водотоков для солнечной энергоустановки (гелиоэлектростанции).

Приведенное понижение нижней границы термодинамического цикла рационально и практикуется для нормальной работы последней ступени цилиндра низкого давления турбины современной тепловой электростанции, установленному заводом-изготовителем (как правило 0,12 кгс/см 2 , что соответствует температуре насыщенного водяного пара 49,1 ⁰С)

В завершении, в качестве иллюстрации эффективности нетрадиционных подходов в различных областях энергосбережения приведем следующий пример.

С низкими температурами связан также необычный проект «Ночной » (Night Wind).

Он разрабатывается группой исследовательских организаций и университетов из Нидерландов, Дании, Испании и Болгарии. Проект призывает к созданию европейской системы хранения энергии, получаемой от ветроэлектрических установок (), в огромных складах-холодильниках.

Непостоянство ветровой энергии, вкупе с тем простым фактом, что ночью электропотребление заметно падает, а днем растет, подтолкнули европейских ученых к неожиданной идее: в качестве колоссальных аккумуляторов энергии, способных накапливать «электричество» от и в целом стабилизировать расход энергии в , могут выступить гигантские склады-холодильники, расположенные по всему Старому свету.

Идея довольно проста и, главное, никаких особых изменений в существующих системах не требует. Просто ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать, как обычно (не останавливать же лопасти), их мощность должна направляться на то, чтобы понизить на один градус температуру в этих холодильниках. Всего на один градус против обычной нормы.

Таким образом, энергия запасается в виде холода тысяч и тысяч тонн разнообразных продуктов, спокойно лежащих где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества растет, все эти гигантские холодильники можно выключить, позволив температуре постепенно подняться на один градус, т. е. вернуться к практикуемой технологической норме.

Если это будет применено во всех крупных холодильных складах Европы, то, по расчетам авторов проекта, это эквивалентно появлению в общей энергосети аккумулятора емкостью в 50 млн кВт∙ч!

К неоспоримым плюсам этого проекта относится также то, что при работе ночью холодильных машин у них выше , т. к. охлаждающий конденсаторы воздух летней ночью имеет более низкую температуру, чем днем на 10 – 15 ⁰С .

Таким образом, даже такие «бросовые» с традиционной точки зрения энергетические ресурсы, так малые водотоки (речушки и ручейки) горных местностей могут стать хорошим подспорьем в повышении энергетической эффективности гелиоустановок и систем с термодинамическими циклами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Шелестов С.И. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ гидротехнических сооружений // Академия Энергетики. 2010. № 4. С. 4 – 8.

2 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

3 Осадчий Г.Б. Гелиоводомёт с солнечным соляным прудом // Промышленная энергетика. 1996. № 9. С.46-48.

4 Осадчий Г.Б. Солнечная энергоустановка для горной местности // Промышленная энергетика. 1998. № 1.

5 Бродянский В.М. Повышение эффективности атомных и геотермальных электростанций посредством использования низких температур окружающей среды// Теплоэнергетика.– 2006.– № 3.– С. 36 – 41.

Мировой океан содержит колоссальные запасы энергии. Внутренняя энергия воды (тепловая), соответствующая перегреву воды на поверхности океана, по сравнению с донными, например, на 20 градусов, имеет значение около 10^26 Дж. Кинетическая энергия течений в океанах оценивается величиной около 10^18 Дж. Но люди сегодня умеют использовать только самую малую долю этой энергии, при этом ценой больших и долго окупающихся капиталовложений. Поэтому энергетика, основанная на использовании внутренней энергии воды, до наших дней казалась малоперспективной.

Но ограниченные запасы ископаемых топлив (газа и нефти), использование которых способствует загрязнению экологии, истощение запасов урана (наряду с опасными радиоактивными отходами), а также неопределенность сроков и последствий влияния на экологию использования в промышленности термоядерной энергии вынуждает инженеров и ученых уделять больше внимания поиску новых возможностей применения безвредных источников энергии: разницы в уровне воды в реках, а также тепла солнца, энергии Мирового океана, ветра. Общественность, а также многие инженеры еще не знают, что работы по извлечению внутренней энергии воды из океанов и морей в последние годы в некоторых странах приобрели уже большие масштабы, что у них есть обещающие перспективы. Океан хранит в себе несколько видов энергии: энергию океанских течений, приливов и отливов, термальную энергию воды (внутреннюю) и некоторые другие.

Энергия приливов

Самым очевидным способом применения энергии океанов является запуск приливных электростанций (ПЭС). Во Франции с 1967 года в устье реки Ранс на приливах, высота которых достигает13 метров, функционирует ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с ежегодной отдачей 540 тыс. кВт/ч. Отечественный инженер Бернштейн выявил удобный метод постройки блоков ПЭС, которые можно буксировать в нужные места на плаву, рассчитал рентабельную последовательность включения электростанции в энергосети в часы их наибольшей нагрузки потребителями энергии. Идеи его уже опробованы на ПЭС, созданной в 1968 году возле Мурманска в Кислой Губе; дальше они будут проверены на ПЭС на 6 млн. кВт на Баренцевом море в Мезенском заливе.

В 70-х годах положение в энергетике поменялось. Каждый раз при поднятии поставщиками в Африке, на Ближнем Востоке и в Южной Америке цен на нефть, энергия приливов становилась все более заманчивой, так как она превосходно конкурировала в стоимости с ископаемыми видами топлива. В скором времени в Южной Корее, Советском Союзе и Англии увеличился интерес к очертаниям береговых линий и возможностям сооружения на них энергетических установок. В этих странах серьезно задумались о применении энергии приливов волн и начали выделять средства на исследования данной области.

Маяки и бакены, использующие энергию волн, усеяли побережья морей и океанов Японии. Бакены – свистки береговой охраны США уже годами действуют благодаря колебаниям волн. Сегодня уже практически не осталось прибрежных районов, где бы ни было своего собственного изобретателя, создающего устройства, работающие на основе энергии волн. С 1966 года, два города во Франции удовлетворяют свои потребности в электричестве полностью за счет энергии приливов и отливов.

Получение энергии на основе разности химического состава воды

В водах океана растворено множество солей. Можно ли использовать соленость воды в качестве источника энергии? Можно. Большое содержание солей в океане навело ученых Скриппского института океанографии в Ла-Колла (Калифорния) на мысль о создании таких сооружений. Они пришли к выводу, что для получения большого количества энергии можно создать батареи, где бы происходили реакции между несоленой и соленой водой.

Энергия биомассы мирового океана

В водах океана содержится прекрасная среда для поддержания жизни, в составе которой находятся питательные вещества, соли и минералы. В этой среде кислород, растворенный в воде, питает всех животных морей - от мельчайших до самых больших. Углекислый газ, растворенный в воде, способствует жизни морских растений - от диатомовых одноклеточных водорослей до бурых водорослей, которые достигают высоты 200-300 футов(60-90 метров). Морскому биологу стоит сделать один шаг вперед, и он сможет перейти от восприятия океана в качестве природной системы поддержания жизни к попытке извлечения на научной основе энергии из этой системы. В середине 70-х годов при поддержке ВМФ США группа ученых в области исследования океана, водолазов, морских инженеров создала первую в мире энергетическую ферму в океане на глубине40 футов(12 метров) под гладью Тихого океана, залитой солнцем, рядом с городом Сан-Клемент. Ферма имела небольшие размеры, это был эксперимент. На ней выращивались гигантские бурые водоросли. Директор проекта доктор Говард А. Уилкокс, являющийся сотрудником Центра исследований океанских и морских систем в Сан-Диего (Калифорния), считает, что до 50% энергии полученных водорослей можно превращать в топливно-природный газ метан (С2Н6). Фермы будущего, производящие водоросли на площади около100000 акров(40 тыс. га), смогут вырабатывать энергию, достаточную для того чтобы удовлетворить потребности города в США с населением 50000 человек.

Энергия течений в океанах

Группа океанологов заметила тот факт, что течение Гольфстрим несет воды рядом с берегами Флориды со скоростью5 миль в час. Идея применить этот теплый поток воды заманчива. Возможно ли это? Смогут ли гигантские подводные пропеллеры и турбины, похожие на ветряные мельницы, вырабатывать электричество, получая энергию из течений и волн? Комитет Мак-Артура, находящийся под эгидой Национального управления по исследованию атмосферы и океана в Майами (Флорида) в 1974 сделал заключение, что СМОГУТ. Общее мнение состояло в том, что определенные проблемы есть, но они все могут решиться в случае выделения ассигнований, так как «в данном проекте нет ничего, что бы превышало возможности технологической и современной инженерной мысли».

Термальная энергия океана (внутренняя энергия воды)

Заметное внимание получила «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК) – генерирование электрической энергии на основе разности между температурами воды на поверхности океана и глубинными океанскими водами, засасываемыми насосом, например, при использовании в замкнутом цикле турбины фенола или аммония (легкоиспаряющихся жидкостей).

Температура океанской воды различна в разных местах. Между тропиком Козерога и тропиком Рака поверхность воды прогревается до 82 градусов по Фаренгейту (27°С). На глубине около 2000 футов(6000 метров) температура снижается до 35-38 градусов по Фаренгейту (2-3,5°С). Можно ли использовать разницу температур, т.е. внутреннюю энергию воды в целях получения электрической энергии? Может ли тепловая энергоустановка, находящаяся под водой, производить электричество? Да, может.

В далекие 1920-е годы Жорж Клод, решительный, настойчивый и одаренный французский физик реши исследовать эту возможность. Он выбрал участок океана рядом с берегами Кубы, сумел после нескольких неудачных попыток создать установку 22 кВт мощностью. Это стало научным достижением и приветствовалось множеством ученых. Применяя теплую воду с поверхности океана и холодную с глубины, создав соответствующую технологию, мы имеем все необходимое для генерирования электроэнергии, уверяли сторонники применения внутренней энергии воды океана. «По оценкам, полученным нами, в водах поверхности океана существуют запасы энергии, превышающие в 10000 раз общемировую потребность в энергии». «Увы, - отрицали скептики, - Жорж Клоду удалось получить лишь 22 киловатта электроэнергии в заливе Матансас. Дало ли это прибыль?» «Нет, не дало, так как для получения этих 22 киловатт, Клоду пришлось затратить на работу насосов 80 киловатт».

В наше время профессор Скриппского океанографического института Джон Исаакс выполняет вычисления более аккуратно. По его данным, современная технология поможет создать энергоустановки, применяющие для выработки электроэнергии разницу температур в водах океана (внутреннюю энергию воды), которые вырабатывали бы его в два раза больше, чем потребляет весь мира на сегодняшний день. Это будет электрическая энергия, которая преобразует термальную энергию океана (ОТЕС).