Ученые всего мира ищут и разрабатывают новые способы получения энергии. Самым лучшим из них является использование вечных, возобновляемых источников энергии - энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии. Не менее важной причиной необходимости освоения возобновляемых источников энергии является проблема загрязнения окружающей среды.
Целью исследовательской работы является изучение возобновляемых источников энергии, их использование в Ханты-Мансийском автономном округе.
Вложение | Размер |
---|---|
![]() | 243.5 КБ |
Оглавление
Введение…………………………………………………………………............................. 1. Литературная справка……………………………………………………….………….. 1.1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в электроэнергетике……………………………………..…………. 1.2. Солнечная энергия………………………………………………………………….. 1.3. Ветровая энергия……………………………………………………………………... 1.4. Геотермальная энергия………………………………………………………………. 1.5. Энергия морских приливов и волн………………………………………………….. 1.6. Биомассы и низкопотенциальная энергия окружающей среды…………………… 1.7. Положительные и отрицательные свойства возобновляемых источников энергии…………………………………………………………………………………….. 1.8. Ситуация электроэнергетики в Ханты – Мансийском автономном округе………………………………………………………………………………………. 2. Описание объекта и методики исследований……………………….………………… 3. Результаты исследования……………………………………………….……………… Рекомендации…………………………………………………………………….………... Литература………………………………...…..…………………………………………… | 3 4 4 5 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
Использование возобновляемых источников энергии
Шарипова Диана
Ханты-Мансийский автономный округ – Югра (Тюменская область)
город Нижневартовск
МБОУ «СОШ №7»
8 класс
Введение
Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) исчерпаем. Конечны также и запасы ядерного топлива. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения приобретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени - ближайшего будущего.
Ученые всего мира ищут и разрабатывают новые способы получения энергии. Самым лучшим из них является использование вечных, возобновляемых источников энергии - энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии. Не менее важной причиной необходимости освоения возобновляемых источников энергии является проблема загрязнения окружающей среды.
Целью исследовательской работы является изучение возобновляемых источников энергии, их использование в Ханты-Мансийском автономном округе.
Задачи:
1. Литературная справка
1.1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в электроэнергетике
Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) достигло промышленного уровня, ощутимого в энергобалансе ряда стран. Масштабы применения НВИЭ в мире непрерывно и интенсивно возрастают. Это направление является одним из наиболее динамично развивающихся среди других направлений в энергетике.
Государственная техническая политика, направленная на развитие НВИЭ, реализуется в этих странах через систему законодательных и нормативных актов, которыми, при всем их разнообразии в различных странах, устанавливаются некоторые общие для всех, принципиальные положения, составляющие правовую, экономическую и организационную основу применения НВИЭ.
В России достижения в области использования НВИЭ являются значительно скромными. В 60-е годы была создана Паужетская ГеоТЭС на Камчатке (современная мощность 11 МВт) и Кислогубская экспериментальная приливная электростанция мощностью 400 кВт. В настоящее время на Верхне-Мутновской ГеоТЭС установлено 3 блок-модульных агрегата мощностью по 4 МВт и проводится тендер на поставку оборудования для Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт. В 1985 г. в Крыму была введена в опытную эксплуатацию экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт. В 90-е годы в России введены в опытную эксплуатацию до десяти ветроустановок (ВЭУ) мощностью по 250 кВт и одна ВЭУ мощностью 1000 кВт.
Научно-исследовательские работы и практические меры по использованию НВИЭ в России в настоящее время сталкиваются с рядом трудностей общего и частного порядка. Эксплуатационные затраты для установок на НВИЭ ниже, а капиталовложения выше, чем для традиционных энергоустановок. Этот фактор связан с природой используемых источников энергии и не зависит от состояния экономики, но в существующих кризисных условиях играет существенную негативную роль. Кроме этого, в условиях значительного падения объема промышленного производства существенно снизилось и энергопотребление, вследствие чего в целом нет острой потребности в изыскании и использовании новых источников энергии.
Рассмотрим перспективы развития нетрадиционных электростанций по видам используемых НВИЭ.
1.2. Солнечная энергия
Солнце - неисчерпаемый источник энергии, который ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение из нее электричества требует значительных финансовых затрат. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать и сделать эффективнее солнечные элементы и придумать новые, более совершенные способы преобразования энергии Солнца.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, трудовых и других ресурсов. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами, а также существуют экологические недостатки – большие затраты материалов и нарушение экологического равновесия под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектаров.
По мнению специалистов, наиболее эффективно использовать фотоэлектрический эффект в полупроводниках. Фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока.
1.3. Ветровая энергия
Энергия ветра на земле неисчерпаема. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во-первых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеродного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействием на человека. Удаленные районы, недостаточно обеспеченные электроэнергией, практически не имеют другой, экономически выгодной альтернативы, как строительство ветроэлектростанций.
Ветер является необычным энергоносителем, неистощимым, но который имеет множество сложных и слабо предсказуемых физических параметров для каждого отдельно взятого географического места. В описание ветра, кроме среднегодовой и максимальной скоростей, следует принять во внимание характеристики, учитывающие внутреннюю структуру воздушного потока такие как: «роза ветров», порывистость, плотность воздуха, турбулентность, температуру и разновекторные течения по высоте.
Ветроэнергетическая техника в сравнении с другими источниками энергии обладает очевидными преимуществами. Среди них:
В качестве главного экологического недостатка отмечают генерацию ветроэлектростанциями инфразвукового шума, вызывающего постоянное угнетенное состояние, чувство дискомфорта и беспокойства. Территории, где размещаются ветроэлектростанции большой мощности, оказываются практически непригодными для проживания.
Существующие ветроэлектростанции можно разделить на две основные группы в зависимости от расположения оси вращения вала генератора:
Сравнительная характеристика ветроэлектростанций
Известно, что из ветра максимально можно извлечь 59 % кинетической энергии, после чего движение воздуха прекратится. Преобразование кинетической энергии ветра пропеллерными станциями в механическую энергию широко варьируется в пределах от 10 до 30 %, в зависимости от типа станции. Можно уточнить, что эти результаты верны только в том случае, если направление ветра перпендикулярно рабочему профилю лопастей станции. При порывистом и изменчивом ветре результаты извлечения энергии ветра более удручающие, поскольку системы "наведения на ветер" являются примитивными в виде хвоста и расположены за рабочей поверхностью пропеллера, в "отработанном" потоке воздуха, а не в поступающем. Из-за неэффективности даже такого наведения на ветер многие современные ветростанции выпускаются без системы "наведения" (в больших станциях "наведение на ветер" осуществляется за счет поворота лопастей пропеллера специальным механизмом). Механическая энергия пропеллерных станций преобразуется в электрическую с КПД 50-69 %. Другой факт - пропеллерные станции часто выходят из строя из-за высоко расположенного ветроагрегата, поскольку не производится ежегодное обслуживание и замена масла. Как результат - относительно высокая стоимость кВт-ч электроэнергии.
Ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора (VAWT). Основным преимуществом конструкции ветростанции является ее независимое "наведение на ветер". Неограниченная скорость вращения ротора позволяет работать со всеми встречающимися ветрами, включая штормовые.
В результате использования уникального решения системы ротор-статор, которая "форсирует" поступающий ветер, а также грамотного решения электрической схемы и генератора стало возможным преобразование кинетической энергии ветра в механическую на уровне 39-42% и преобразование механической энергии в электрическую на уровне 90-94% соответственно! Модульная конструкция позволяет установить необходимую мощность для потребителя, основываясь на характеристиках ветра в месте установки. Другое преимущество ветроэлектростанции - расположение генератора, электрической схемы и аккумуляторов на уровне земли. Это позволяет своевременно, легко и без больших затрат производить техническое обслуживание станции. Как результат - низкая стоимость кВт-ч электроэнергии и удобство эксплуатации.
1.4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергетика - природная теплота недр Земли. Они таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 ∗ 1014 млрд. кВт ∗ час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.
Источники геотермальной энергии могут быть двух типов:
Гидротермальные источники
К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты горячей или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.
Для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности.
Тепло горячих горных пород
К этому типу геотермальных ресурсов относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Достоинства геотермальной энергии:
Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается в очень слабой концентрации геотермальной энергии.
1.5. Энергия морских приливов и волн
Мировой океан - непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и обладающая общностью солевого состава. Занимает площадь 361, 10 млн. км2 (объем 1340, 74 млн. км3), что составляет около 70, 8% земной поверхности. Он содержит огромнейшие объемы энергии, которые нужно научиться использовать.
В океане потенциально имеются различные виды энергии – энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента и др., и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива.
Для добычи энергии из движущейся воды в основном используются гидроэлектростанции и приливные электростанции, но есть и другие источники получения энергии, некоторые из них описаны ниже.
Приливные электростанции
Эти электростанции используют энергию приливных волн, которая обладает большим объемом энергии, часто даже разрушающей (цунами).
Для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые “бассейны”.
Но на сегодняшний день еще не очень развита технология выработки энергии из приливных волн, в связи с этим лишь малый процент ее используется человеком.
Энергия морских течений
Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях можно использовать для получения энергии.
В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских “коробах” без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.
1.6. Биомассы и низкопотенциальная энергия окружающей среды
Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы. Последняя может конвертироваться в технически удобные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) или биологической конверсии. При этом используются древесные и другие растительные, а также органические отходы, в том числе городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Пожалуй, еще большую ценность оно представляет с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов.
Также значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно контролируют и с топливными установками.
1.7. Положительные и отрицательные свойства возобновляемыхз источников энергии
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся:
К отрицательным:
Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.
Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».
Я намеренно столь подробно останавливаюсь на технических и экономических трудностях при использовании НВИЭ, чтобы показать, насколько сложно организовать их крупномасштабное применение. Эта проблема требует системного подхода, который и проявляется во многих странах, и в значительной мере - через уже упомянутую законодательную базу.
1.8. Ситуация электроэнергетики в Ханты – Мансийском автономном округе
В Ханты-Мансийском автономном округе создан один из крупнейших в стране электроэнергетических комплексов. Установленная мощность электростанций составляет 9500 МВт. В 1995 г. выработано 51,3млрд. кВт * ч электроэнергии и 4,1 млн. Гкал теплоэнергии. Поставки электроэнергии в соседние области составляют около 10 млрд. кВт * ч в год.
Быстрое развитие электроэнергетики в округе началось в 70-е годы, в связи с формированием нефтегазодобывающего комплекса. Были построены самые мощные в стране тепловые электростанции на базе попутного нефтяного газа – Сургутская ГРЭС-1 (3300 МВт) и Сургутская ГРЭС-2 (4800 МВт). В 1994 г. начала действовать еще одна тепловая электростанция – Нижневартовская ГРЭС (п.г.т. Излучинск). Все перечисленные электростанции работают на попутном газе. В 80-е годы было начато строительство крупной Няганской ГРЭС.
Всего в Ханты-Мансийском автономном округе насчитывается 2100 электростанций. В основном это небольшие дизельные электростанции, расположенные на удаленных промыслах и в населенных пунктах, куда не проложены линии электропередач (ЛЭП). По мере ввода новых ЛЭП число таких маломощных и неэффективных электростанций сокращается.
Округ обладает значительным гидроэнергетическим потенциалом. Однако гидроэлектростанций в округе нет.
Для транспортировки электроэнергии сооружаются линии электропередач. Наиболее мощные из них ЛЭП – 500 кВ – проложены от Сургута к Нижневартовску, Радужному, Нягани, на север к Новому Уренгою. Сургут соединен ЛЭП – 500 кВ – с Рефтинской ГРЭС (Свердловсая область), что позволяет избыток электроэнергии передавать из Ханты-Мансийского автономного округа в западные районы страны.
Перспективы развития электроэнергетики связаны с установкой на новых электростанциях парогазовых установок, имеющих более низкие удельные расходы топлива и лучшие экологические параметры.
2. Описание объекта и методики исследований
Объектом исследования были выбраны ветроэлектростанции.
Этапы работы и методы
Важными условиями в обеспечении электроэнергией автономного объекта являются: правильная оценка ветровых возможностей местности, где планируется установить ветроэлектростанцию, мощности электрических приборов и график их эксплуатации.
- месячное потребление электроэнергии (кВт*ч) за 2014 год;
- пиковые нагрузки (кВт), как максимальное количество энергии, которое может быть потребовано в любое время.
Средняя скорость и максимальные порывы ветра
в г. Нижневартовске за 2014 г.
Месяц | Январь | Февраль | Март | Апрель | Май | Июнь |
Ср. скорость | 9-14 м/с | 10-16 м/с | 8-11 м/с | 10-15 м/с | 14-19 м/с | 12-19 м/с |
Месяц | Июль | Август | Сентябрь | Октябрь | Ноябрь | Декабрь |
Ср. скорость | 7-17 м/с | 11-18 м/с | 8-14 м/с | 8-14 м/с | 9-16 м/с | 9-11 м/с |
Данные представлены метеослужбой аэропорта г. Нижневартовска
Средняя скорость и количество ветров
в г. Нижневартовске за 2014 г.
Явление | Средняя скорость | Количество |
Штиль | 0 | 54 |
Ветер | 1-2 м/с | 830 |
Ветер | 3-5 м/с | 1515 |
Ветер | 6-7 м/с | 422 |
Ветер | 8-11 м/с | 102 |
Данные представлены метеослужбой аэропорта г. Нижневартовска
Потребление электроэнергии
за 2014 г. Девятиэтажным домом
(ул. 60 лет Октября 23а)
По данным Энергосбыта
3. Результаты исследования
Для нашего региона лучше устанавливать ветроэлектростанции с вертикально расположенным валом генератора (VAWT). Основным преимуществом конструкции ветростанции является ее независимое "наведение на ветер". Неограниченная скорость вращения ротора позволяет работать со всеми встречающимися ветрами, включая штормовые.
В результате использования уникального решения системы ротор-статор, которая "форсирует" поступающий ветер, а также грамотного решения электрической схемы и генератора стало возможным преобразование кинетической энергии ветра в механическую на уровне 39-42 % и преобразование механической энергии в электрическую на уровне 90-94 % соответственно! Модульная конструкция позволяет установить необходимую мощность для потребителя, основываясь на характеристиках ветра в месте установки. Другое преимущество ветроэлектростанции - расположение генератора, электрической схемы и аккумуляторов на уровне земли. Это позволяет своевременно, легко и без больших затрат производить техническое обслуживание станции. Как результат - низкая стоимость КВт-ч электроэнергии и удобство эксплуатации.
Природные условия в округе могут способствовать развитию ветровых электростанций, возобновляемые источники энергии могут сильно облегчить жизнь в отдаленных от центральной части районов, финансовые затраты на возобновляемые источники энергии очень быстро окупаются за счет использования энергии природы.
Рекомендации по использованию
возобновляемых источников энергии
Прежде всего, должно быть ясно, что потенциальный спрос на оборудование малой и нетрадиционной энергетики - это настоятельная необходимость удовлетворить самые минимальные нужды людей, а во многих случаях идет речь о выживании людей. Поэтому первейшая задача - показать местным руководителям возможности различного вида оборудования, и тогда, в большинстве случаев деньги найдутся. Наиболее эффективный путь достижения успеха - строительство демонстрационных объектов в разных частях России и их успешная эксплуатация.
В этом большую роль играет сотрудничество с зарубежными странами. Это сотрудничество, имея главную цель - демонстрацию возможностей нового оборудования, вместе с тем должно обеспечивать развитие национального машиностроения.
Однако решающим образом повлиять на ситуацию можно только путем разработки и реализации федеральных, межрегиональных и региональных программ, нацеленных на решение первоочередных проблем населения. Примером такой программы является Федеральная программа “Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива на 1996-2000 гг.”, проект которой, согласованный с регионами представлен в Правительство Российской Федерации.
Литература
Стеклянный Человечек
Солнечная система. Взгляд со стороны
"Не жалею, не зову, не плачу…"
Колумбово яйцо
Рисуем акварельное мороженое