Причины повышенного интереса к нетрадиционным энергоисточникам

Со времени своего появления на Земле человек использовал различные виды энергии, обеспечивавшей возможность его существования. Вначале он довольствовался весьма скромным источником энергии – собственной мускульной силой. Расход энергии при этом не превышал 2 тыс. ккал/сут.

Затем на помощь пришли прирученные человеком крупные животные, несколько облегчившие его труд. Для обогрева жилищ, приготовления пищи, выплавки руды человек стал использовать тепло сжигаемых природных топлив.

В XVIII в. были созданы первые паросиловые установки. Их развитие позволило обеспечить крупномасштабное по тем временам производство механической энергии в любом месте, куда можно было доставить топливо.

Открытие электричества в XIX в. значительно увеличило энерговооруженность человечества. Уже к концу первой четверти ХХ века появились системы централизованного энергоснабжения. В результате современный человек стал расходовать в среднем 250 тыс. ккал энергии в сутки.

Развитие технологического общества в век научно-технической революции требует все больше энергии, прежде всего – электрической, а затем – тепловой.

Основными источниками электроэнергии являются в настоящее время различные электростанции, потребляющие преимущественно ископаемые энергоносители:

а) органическое топливо (уголь, нефть, сланцы, природный газ);

б) ядерное топливо в виде радиоактивных элементов.

Большая часть мировой электроэнергии (около 80%) вырабатывается на тепловых (паротурбинных и газотурбинных) электростанциях.

Главным недостатком современных электростанций является загрязнение окружающей среды:

- тепловые электростанции, работающие на органическом топливе, выбрасывают в атмосферу продукты сжигания топлива – СО, СО₂, NO_x, SO₂, SO₃, золу, несгоревшие частички топлива;

- АЭС загрязняют окружающую среду выбросами радиоактивных изотопов инертных газов, которые практически невозможно улавливать, но которые значительно повышают радиоактивный фон всей атмосферы Земли;

- ТЭС и АЭС преобразуют в электроэнергию только 30% тепловой энергии, содержащейся в топливе, а остальные 70% выбрасывают в окружающую среду, вызывая ее тепловое загрязнение.

Использование традиционной энергетикой ископаемых энергоносителей неизбежно ведет к истощению их запасов, к вовлечению в оборот более бедных залежей, что приводит к постепенному удорожанию всех видов энергии.

Единственный возобновляемый традиционный источник энергии – гидроэнергия речных водотоков – ограничен по мощности. В настоящее время уже используется значительная часть гидроэнергетических ресурсов. Затопление больших территорий при создании водохранилищ больших ГЭС также накладывает ограничение на использование гидроэнергетических ресурсов.

Перечисленные недостатки и ограничения развития традиционной энергетики вынуждают ученых всего мира расширять поиски нетрадиционных источников энергии, неисчерпаемых и экологически чистых.

Можно выделить следующие нетрадиционные для данного этапа развития человечества источники энергии:

Ø Солнце;

Ø атмосферные источники;

Ø Мировой океан;

Ø литосфера;

Ø биота;

Ø экзотические источники.

Солнечная энергетика

Солнце – самая близкая звезда к Земле – является родоначальником практически всех горючих ископаемых планеты, а также первоисточником новых возобновляемых видов энергии.

Недра Солнца обладают температурой, достаточной для постоянного синтеза водорода в гелий, т.е. для термоядерной реакции, которая и является источником колоссальных энергетических потоков, испускаемых Солнцем в виде электромагнитного излучения.

Энергетическая отдача Солнца всего лишь за 1 сек. равнозначна превращению в энергию вещества массой 4,2×10⁶ т. При этом Земля получает лишь 2×10^-10 излучения. Однако это такая энергия, количество которой за год поступления на Землю в 50 раз превосходит всю энергию, которую можно было бы извлечь из мировых разведанных запасов горючих ископаемых. Вместе с тем на поверхность Земли попадает лишь 50% этого энергетического потока, остальная же часть поглощается и рассеивается атмосферой, отражается облаками и самой поверхностью (рис. 49).

Количество поступающей на поверхность Земли солнечной энергии зависит от климатических особенностей рассматриваемой территории, периода года, широты, облачности, времени суток. Поэтому на энергетических системах, использующих солнечную энергию, должны устраиваться элементы, которые аккумулировали бы солнечную энергию в периоды излучения высокой интенсивности и могли бы включаться в систему в ночное время или при слишком малом солнечном излучении.

Верхние

слои

атмосферы а б в г д

5% 20%

25%

23% 27%

Поверхность земли

Рис.49. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли

а – отражение от поверхности Земли; б – отражение облаками; в – поглощение

атмосферой; г – рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности;

д – доля излучения, достигающего поверхности Земли.

По сравнению с энергией традиционных источников солнечная энергия обладает малой плотностью. Поэтому для получения тепловых потоков, достаточных для функционирования современных энергетических систем и технологических процессов, необходимо применять солнечные концентраторы.

Прямое использование солнечной энергии основано на тепловом, фото- и термоэлектрическом ее превращении. Рассмотрим схемы некоторых устройств и принципы их действия.