Чайник на острове
По официальным данным администрации США, ежегодно в мире производится около 1,2*1014 кВт/час (4,3*1020 Дж) энергии всех видов. Практически вся эта энергия в конце концов превращается в тепло. Получается, что в среднем каждый человек постоянно расходует 2,1 кВт. То есть всего‑то круглосуточно кипятит приличный чайник – сидя один на острове в три футбольных поля и окруженный персональной частью Мирового океана, которая еще в два с половиной раза больше. Так о чем, собственно, речь?..
Сравним эти показатели с природными источниками тепла. Энергия просачивается к нам из горячих недр Земли, перекачивается от небесных тел с помощью гравитации, вызывающей приливные явления, но основной ее источник – излучение Солнца.
С тепловым потоком из недр приходит около четырех киловатт на каждого из нас. Согласно последним оценкам, из‑за вязкого трения приливных волн и течений выделяется еще около шестисот ватт на человека. Так что чайник чайником, а энергетические расходы человечества уже приблизились к половине суммарной тепловой мощи земных недр и небесных тел.
Однако это сущие крохи по сравнению с падающей на Землю энергией излучения Солнца – по 27 МВт на одного, большая московская ТЭЦ – на пятьдесят человек. Земной поверхности достигает около половины солнечного света. Нагретая в среднем до 15 °С, поверхность излучает в очень холодное космическое пространство. Но лишь 20% инфракрасного излучения проходит сквозь атмосферу и сразу улетает в космос. Оставшаяся часть сложным образом поглощается и переизлучается, а в результате «средняя» температура нашей планеты, видимая из космоса, уже не +15 °С, а – 24 °С.
Это и есть парниковый эффект: атмосфера, играющая роль всеобщего одеяла, «поднимает» температуру поверхности Земли на 39 °С. Почти вся энергия от Солнца, Луны и земных недр расходуется на отопление нашей планеты.
Опасность изменения теплового баланса и экологического загрязнения и является основным аргументом тех, кто ратует за переход на нетрадиционные источники энергии. Мы уже подсчитали, что тепловыделение от человеческой деятельности, хоть и сравнимо с вкладом недр и гравитации, составляет менее одной сотой процента баланса излучения. Его пока никто из специалистов всерьез не принимает. Другое дело – выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого органического топлива. Увеличение концентрации CO2, в принципе, способно затруднить охлаждение планеты, препятствуя инфракрасному излучению. Но физические процессы в атмосфере, почве и биосфере настолько многообразны и сложно взаимосвязаны, что, боюсь, никто сегодня толком не сможет сказать, к каким последствиям приведут эти выбросы. То есть говорят‑то много и не стесняясь, но эти прогнозы не достовернее прогноза погоды на полгода вперед.
По данным вышеупомянутого источника, 85% энергии в мире получают путем сжигания ископаемого топлива – 37% из нефти и по 24% из угля и газа. По 7% дают атомные и гидроэлектростанции. И лишь 1% – это альтернативная энергетика (итого на возобновляемые источники приходится 8%).
Солнце, ветер и вода
Вода. Малые ГЭС (до 10 МВт) и микро-ГЭС (от 3 до 100 кВт) – «самые традиционные» из нетрадиционных энергоисточников. В 50‑60‑е годы в России работало несколько тысяч малых ГЭС, сегодня – несколько сотен. Однако рост цен на электроэнергию и топливо возрождает интерес к малым ГЭС. К тому же гидроагрегаты надежны, полностью автоматизированы, и даже микро-ГЭС может обеспечить энергией отдельный хутор, небольшое производство или дачный поселок, если туда невыгодно тянуть линию электропередач. А в нашей стране 70% территории, где проживает 22% населения, не охвачено централизованным энергоснабжением. Отметим, что для равнинных ГЭС в среднем получают 2,2 кВт с гектара водохранилища (то есть «усредненному человеку на острове» придется свою территорию наполовину затопить, что неприемлемо). Зато в горных районах эффективность ГЭС несравненно выше.
Энергия воды морей и океанов освоена гораздо хуже. Получать электричество из энергии волн пытались в разных странах. Чаще всего использовались пневматические преобразователи: периодическое изменение волной уровня воды в сосуде порождало поток воздуха, вращающий турбину. Небольшие устройства этого типа применяются для электропитания морских буев и маяков. Проектировались и испытывались разнообразные поплавковые системы и другие конструкции. Но такой способ добычи энергии оказался слишком дорогим и непостоянным во времени.
Гораздо более предсказуемы морские приливы. Считается, что если колебания уровня воды превышают четыре метра, то можно строить приливную электростанцию. Размах приливных колебаний в рекордном случае залива Фанди на Атлантическом побережье Канады достигает 18 м, в Пенжинской губе на Охотском море – 13 м, а в Мезенском заливе Белого моря – 10 м. Первая приливная электростанция с пиковой мощностью 240 МВт была введена в строй еще в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м.
Ветер. Среди ветродвигателей преобладают скоростные машины с двумя-тремя лопастями и горизонтальным расположением вала, способные использовать около половины энергии воздушного потока. Гораздо реже применяют модели с вертикальным валом, которым не нужно следить за направлением ветра (расплачиваясь за это меньшей эффективностью).
В 1995 году появились ветряные станции мощностью 600 кВт, а сегодня несколько фирм серийно выпускают агрегаты на 3‑5 МВт. Это гигантские сооружения со стометровым винтом из углепластика и стометровой же опорой, общая высота которых достигает половины Эйфелевой башни. Несколько десятков таких агрегатов объединяют в ветряные фермы и подключают к энергосети. Крупные установки обычно ставят на морском шельфе. По стоимости энергии они уже могут конкурировать с тепловыми электростанциями.
Серийно выпускается и широкий спектр малых установок (от 1 кВт). В комбинации, например, с дизель-генераторами они могут обеспечивать электроэнергией дачи или фермерские хозяйства (однако в данном случае стоимость энергии заметно возрастает).
Главная проблема ветряных электростанций – непостоянство скорости ветра. Мощность, которую можно получить с квадратного метра ветрового потока, пропорциональна кубу скорости ветра. Для типичных в средней полосе 4 м/с она составит всего 33 Вт/м2, но при скорости ветра 10 м/с – уже 520 Вт/м2. Крупные установки проектируют на скорость ветра 12‑15 м/с. При значительно меньшей или большей скорости агрегат останавливают. Место расположения ветряной электростанции считается удачным, если ей удается работать в среднем более трети года. Таких мест на Земле не так много, и большинство уже занято.
При скорости ветра 5‑6 м/с ветряная ферма снимает с гектара поверхности большую мощность, чем равнинная ГЭС. Сейчас проектируются крупные ветроагрегаты на расчетную скорость ветра 6‑7 м/с. При той же мощности диаметр их роторов должен быть почти втрое больше. Однако разработчики надеются, что возросшую стоимость установок удастся скомпенсировать за счет близости к потребителям. Ведь мест с такой скоростью ветра на Земле гораздо больше. Кроме того, скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому использование более высоких конструкций перспективно.
Солнце. Самая первая шкура, которую древний человек высушил с помощью прямого использования солнечной энергии, к сожалению, не сохранилась. А собственные шкуры грели на солнышке даже наши предки обезьяны, не говоря уже о крокодилах.
Легко использовать Солнце для отопления и горячего водоснабжения. Впрочем, популярная в России «солнечная установка» – бочка с водой для душа на садовых участках – малоэффективна. Хорошие нагреватели состоят из смотрящего на юг плоского наклонного коллектора солнечных лучей и размещенного над ним бака с водой. Коллектор и бак теплоизолируют. КПД этого простого сооружения достигает 40‑50%, и оно способно летом нагреть воду до 50‑70 °С. Вода как аккумулятор тепла сглаживает непостоянство поступления энергии от нашего светила. Такие водонагреватели получили широкое распространение в солнечных местах Земли.
В последнее время стали популярны воздушные коллекторы, встроенные в фасады зданий как элемент архитектуры. Оптимальный наклон коллектора примерно равен широте местности. В Европе, к примеру, на вертикальную стенку в год падает солнечной энергии примерно на 30% меньше, чем на поверхность, расположенную под углом 45° к горизонту. Такой коллектор выполняет двойную роль – нагревает теплоноситель и уменьшает тепловые потери здания.
Когда кремниевые фотоэлементы были очень дороги и использовались только в космосе, много надежд возлагалось на солнечные тепловые электростанции. Это башня с парогенератором, на который поле поворотных зеркал фокусирует солнечный свет. Пар крутит турбину, как на обычной тепловой электростанции. Потенциальная эффективность этой схемы выше, чем у лучших полупроводников, однако она не работает при рассеянном свете. В ряде стран были построены опытные установки мощностью до 10 МВт, но их эксплуатация показала, что, казалось бы, дармовая энергия обходится в несколько раз дороже, чем выработанная тепловыми станциями. Например, стирать пыль с целого поля зеркал – сущее наказание.
Сегодня больше внимания уделяется прямому преобразованию солнечной энергии с помощью полупроводниковых фотоэлементов. В основном это плоские кремниевые фотоэлементы, способные преобразовывать как прямой, так и рассеянный свет. Их стоимость за последние десять лет снизилась в несколько раз, но цена такой энергии все еще слишком высока. В небольших автономных установках фотоэлемент сочетают с аккумуляторной батареей и широко используют для освещения, питания устройств связи и других целей. В арабских странах фотоэлементы зачастую используют для питания холодильников.
Ученые пытаются максимально снизить стоимость более простых солнечных элементов. В европейском проекте H-Alpha Solar созданы гибкие солнечные элементы на основе тонкой пленки аморфного кремния на пластике, эффективность которых около семи процентов. В планах – повышение эффективности до 10% и массовое производство рулонов дешевой «солнечной пленки».
«Человеку на острове», чтобы кипятить свой чайник, потребуется порядка ста квадратных метров кремниевых солнечных батарей и очень большой аккумулятор. Это, конечно, лучше, чем гектар водохранилища, но пока неприемлемо дорого.
По материалам журнала «КОМПЬЮТЕРРА»
Источник: www.eprussia.ru
Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи