Использование энергии ветра и геотермальных источников

Использование энергии ветра сейчас называют нетрадиционной энергетикой. Однако в былые времена ветряные и водяные мельницы были широко распространены, вода и ветер являлись одними из главных источников энергии. Первые ветряные мельницы появились в Древней Персии, некоторым мельницам в Голландии уже более 500 лет. К 1913 г. в России насчитывалось до 1 млн ветряных и до 1 млн водяных мельниц. В настоящее время в России есть около 150 крупных и около 100 мелких ветроустановок. Ветряная энергетика начала возрождаться несколько десятилетий назад, общее число ветроустановок в мире превышает 130 тыс. Современная ветроустановка представляет собой сложное устройство, оборудованное электронными регуляторами, обеспечивающими равномерную выработку энергии независимо от скорости ветра. Многие страны активно развивают ветроэнергетику, наиболее преуспели в этом Дания, США и Германия. Мощность ветряных станций невелика, однако их использование может быть вполне оправдано в труднодоступных территориях с небольшим населением, на побережье морей и океанов с большой скоростью ветра. Ветроэнергетику принято считать экологически безопасной, хотя ветроустановки и порождают вибрацию и шум.

К нетрадиционной энергетике относят и использование энергии, таящейся в недрах земного шара. Расчеты показывают, что запасы тепла в десятикилометровом слое земной коры в 5000 раз превышают тепловую энергию, запасенную во всех ископаемых горючих источниках планеты. Гигантским запасом энергии обладают геотермальные источники Гренландии, Исландии, Новой Зеландии, Индонезии, Ямайки, Японии, США, России и других стран.

В стране вулканов и гейзеров Исландии насчитывается до 7 тысяч горячих источников, ее столица Рейкьявик полностью теплофицирована за счет термальных вод (город расположен вблизи Северного полярного круга). Исландцы полностью обеспечивают себя яблоками, помидорами и бананами, используя для обогрева теплиц и оранжерей энергию Земли, других источников энергии в стране нет.

Термальные воды научились использовать не только для отопления, но и для производства электроэнергии. Первая геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Постепенно мощность электростанции росла и в настоящее время составляет 360 тыс. кВт. Геотермальные электростанции работают в Новой Зеландии (160 тыс. кВт), в США (500 тыс. кВт).

Запасы термальных вод (с температурой от 50 до 250ºС) в нашей стране по приблизительным оценкам составляют не менее 20 млн м³ в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой тепловой энергии может заменить до 150 млн т органического топлива. Особенно богаты горячими источниками Камчатка и Курильские острова, пробурены скважины для выхода горячей воды в Дагестане. Первая в нашей стране геотермальная электростанция была сооружена в 1967 г. в 200 км от Петропавловска-Камчатского (15 тыс. кВт). В 1997 г. на Камчатке введена в эксплуатацию Верхне-Мутновская геотермальная электростанция, мощность энергоблоков которой в настоящее время составляет 60 МВт.

Горячая вода из недр Земли содержит большое количество брома и йода; в нашей стране весь бром и большая часть йода добывается из подземных вод. Это повышает значимость геотермальной энергетики.

Преобразование солнечной энергии

Колоссальным запасом энергии обладает Солнце. Земля получает лишь небольшую часть этой энергии – около 2×10¹⁴ кВт. Этого количества достаточно для обеспечения многообразных форм жизни и биосферных процессов на нашей планете. За трое суток Земля получает от Солнца такое же количество энергии, которое можно было бы получить при сжигании всех природных запасов угля, нефти, газа и древесины.

Одно из перспективных направлений гелиоэнергетики связано с разработкой фотоэлементов, непосредственно преобразующих энергию солнечного света в электроэнергию. В основе работы фотоэлементов лежит явление фотоэффекта (раздел 2.7.5). Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, которые уже в течение многих лет работают на космических станциях. КПД этих батарей составляет около10% и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до 22%. На ярком солнечном свете 1 м² современных солнечных батарей обеспечивает мощность 100 – 200 Вт. Это открывает широкие возможности таких батарей как источников энергии для бытовых и производственных нужд. Однако себестоимость этих установок относительно высока.

В настоящее время разрабатываются высокоэффективные энергоустановки с преобразователями на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия с концентраторами солнечного излучения и системой слежения за Солнцем. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах. В Швейцарии работает самая крупная гелиоэлектростанция (площадь солнечных батарей 4500 м², мощность 500 кВт). Появились транспортные средства – гелиовелосипеды, моторные лодки, яхты.

Потенциальные ресурсы энергии Солнца огромны, однако вряд ли эти огромные ресурсы когда-либо удастся реализовать в полной мере. Одним из наиболее серьезных препятствий является низкая плотность потока солнечного излучения даже в оптимальных природных условиях (в южных широтах при безоблачном небе). Поэтому коллекторы солнечного излучения нужно размещать на больших площадях, что требует значительных материальных затрат. Гелиоэнергетика относится к наиболее материалоемким и трудоемким видам производства энергии. Солнечная электроэнергия пока обходится намного дороже электроэнергии, производимой другими способами. Для гелиоустановок на 1 кВт электроэнергии сумма капиталовложений примерно в 1000 раз больше, чем на гидроэлектростанции. Одной из важных задач является разработка более эффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую.

Эффективное использование солнечной энергии может начаться после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В процессе фотосинтеза из энергетически бедных соединений – диоксида углерода и воды образуются богатые энергией органические вещества. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже производится фотохимическая диссоциация воды. При этом образуется водород – превосходный энергоноситель, обладающий самой высокой энергоемкостью из всех известных нерадиоактивных веществ.

Более подробно альтернативные источники энергии рассматриваются на семинарах и в курсовых работах студентов.