возможности замены атомной энергетики

 Государственное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №78 Калининского района

Научно-практическая работа по физике

 «Возможности замены ядерной энергетики»

Выполнил: Положенков Константин

                        9 «А» класс

Преподаватель: Товпинец Вероника Николаевна

Санкт-Петербург

2015 г.

Содержание

Введение

1. Что такое атомная энергетика?

2. Как ядерная энергетика вредит человеку?

 2.1. Крупнейшие аварии на АЭС

 2.2. Влияние АЭС на здоровье человека.

3. Выгодна ли ядерная энергетика?

4. Зависимы ли мы от атома?

5. Как заменить ядерную энергетику

 5.1. Гидроэлектростанции (ГЭС)

 5.2. Ветряные электростанции

 5.3. Солнечные батареи

6. Что думают люди о проблемах энергетики

Заключение

Приложение 1. Традиционные источники электроэнергии в мире.

Приложение 2. Таблица зависимости стран от ядерной энергетики

Приложение 3. АЭС в странах Европы

Введение

Атомщики не устают повторять, что альтернативы атомной энергетике нет. Однако многие ученые отвечают на этот вопрос иначе. Если вместо ядерной энергетики заняться развитием тепловой энергетики и возобновляемыми источниками энергии, то будет возможен отказ от АЭС или сокращение их числа.

Актуальность выбранной темы

Я считаю, что моя работа актуальна именно сегодня, когда наука развивается чрезвычайно стремительно, принося человечеству не всегда только пользу. В конце 19 века был открыт новый тип энергии - атомная энергия. Благодаря ней было изобретено атомное и водородное оружие.

«Ни одно государство не может остаться безразличным к атомной энергии, так как владение большими запасами радия дает силу и власть владельцу, большую, чем владение золотом и землями». (Владимир Иванович Вернадский)

Практическая значимость

Эта работа поможет понять, что такое ядерная энергетика, чего от нее больше: пользы или вреда и найти способы замены или снижения числа АЭС.

1. Что такое атомная энергетика?

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА - область техники, основанная на использовании реакции деления атомных ядер для выработки теплоты и производства электроэнергии.

Ядерная энергия освобождается при осуществлении ядерных цепных реакций деления некоторых тяжёлых ядер урана, плутония, тория в ядерных реакторах. В этом процессе выделяется большое кол-во тепла - в основном при торможении осколков деления ядер в материале ядерного горючего. Отвод получаемого тепла тем или иным способом и особенно превращение его в полезную энергию является инженерной задачей, решаемой методами промышленности. На АЭС это тепло используется для нагрева воды с выделением пара, и с помощью пара, выпускаемого с большим давлением, вращать турбину. По сути АЭС это тоже ТЭЦ, но использующая вместо угля и нефти - уран и прочие радиоактивные вещества, а вместо огня – цепную реакцию, появляющуюся при делении атомов.

Атомная электростанция (АЭС) – Комплекс, состоящий из ядерных реакторов в которых производится выработка энергии, хранилищ, оборудования, с необходимым персоналом.

Во второй половине 40-х гг., ещё до окончания работ по созданию первой советской атомной бомбы (её испытание состоялось 29 августа 1949 года), советские учёные приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии, генеральным направлением которого сразу же стала электроэнергетика.

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в городе Обнинск, расположенном в Калужской области.

15 мая 1989 года на учредительной ассамблее в Москве, было объявлено об официальном образовании Всемирной ассоциации операторов атомных электростанций (WANO). Это международная  профессиональная ассоциация, объединяющая организации, эксплуатирующие АЭС, во всём мире. Ассоциация поставила перед собой амбициозные задачи по повышению ядерной безопасности во всём мире, реализуя свои международные программы. Крупнейшая АЭС в Европе — Запорожская АЭС у г. Энергодар (Запорожская область, Украина), строительство которой стартовало в 1980 году. С 1996 года работают 6 энергоблоков суммарной мощностью 6 ГВт.

Крупнейшая АЭС в мире— АЭС Касивадзаки-Карива находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата. В эксплуатации находятся пять кипящих ядерных реакторов (BWR) и два улучшенных кипящих ядерных реакторов (ABWR), суммарная мощность которых составляет 8,212 ГВт.

2. Как ядерная энергетика вредит человеку?

2.1. Крупнейшие аварии на АЭС

Аварии на АЭС – повреждение оборудования, сбои, выбросы, взрывы. Это чрезвычайно опасные явления. Здесь я рассмотрю два самых известных из них.

Авария на Чернобыльской АЭС происходившая 26 апреля 1986 года является самой сильной по количеству жертв и удару по экономике.

На 25 апреля 1986 года была запланирована остановка 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС для очередного планово-предупредительного ремонта. Во время таких остановок обычно проводятся различные испытания оборудования, как регламентные, так и нестандартные, проводящиеся по отдельным программам. В этот раз целью одного из них было испытание так называемого режима «выбега ротора турбогенератора», предложенного генеральным проектировщиком (институтом Гидропроект) в качестве дополнительной системы аварийного электроснабжения. Режим «выбега» позволял бы использовать кинетическую энергию ротора турбогенератора для обеспечения электропитанием питательных (ПЭН) и главных циркуляционных насосов (ГЦН) в случае обесточивания электроснабжения собственных нужд станции. Однако данный режим не был отработан или внедрён на АЭС с РБМК. Это были уже четвёртые испытания режима, проводившиеся на ЧАЭС. Первая попытка в 1982 году показала, что напряжение при выбеге падает быстрее, чем планировалось. Последующие испытания, проводившиеся после доработки оборудования турбогенератора в 1983, 1984 и 1985 годах также, по разным причинам, заканчивались неудачно.

Испытания должны были проводиться 25 апреля 1986 года на мощности 700—1000 МВт (тепловых), 22—31 % от полной мощности. Примерно за сутки до аварии (к 3:47 25 апреля) мощность реактора была снижена примерно до 50 % (1600 МВт). В соответствии с программой, отключена система аварийного охлаждения реактора. Однако дальнейшее снижение мощности было запрещено диспетчером Киевэнерго. Запрет был отменён диспетчером в 23:10. Во время длительной работы реактора на мощности 1600 МВт происходило нестационарное ксеноновое отравление. В течение 25 апреля пик отравления был пройден, началось разотравление реактора. К моменту получения разрешения на дальнейшее снижение мощности оперативный запас реактивности (ОЗР) возрос практически до исходного значения и продолжал возрастать. При дальнейшем снижении мощности разотравление прекратилось, и снова начался процесс отравления.

В течение примерно двух часов мощность реактора была снижена до уровня, предусмотренного программой (около 700 МВт тепловых), а затем, по неустановленной причине, до 500 МВт. В 0:28 при переходе с системы локального автоматического регулирования (ЛАР) на автоматический регулятор общей мощности (АР) оператор (СИУР) не смог удержать мощность реактора на заданном уровне, и мощность провалилась (тепловая до 30 МВт и нейтронная до нуля). Персонал, находившийся на БЩУ-4, принял решение о восстановлении мощности реактора и (извлекая поглощающие стержни реактора) через несколько минут добился её роста и в дальнейшем — стабилизации на уровне 160—200 МВт (тепловых). При этом ОЗР непрерывно снижался из-за продолжающегося отравления. Соответственно стержни ручного регулирования (РР) продолжали извлекаться.

После достижения 200 МВт тепловой мощности были включены дополнительные главные циркуляционные насосы, и количество работающих насосов было доведено до восьми. Согласно программе испытаний, четыре из них, совместно с двумя дополнительно работающими насосами ПЭН, должны были служить нагрузкой для генератора «выбегающей» турбины во время эксперимента. Дополнительное увеличение расхода теплоносителя через реактор привело к уменьшению парообразования. Кроме этого, расход относительно холодной питательной воды оставался небольшим, соответствующим мощности 200 МВт, что вызвало повышение температуры теплоносителя на входе в активную зону, и она приблизилась к температуре кипения.

В 1:23:04 начался эксперимент. Из-за снижения оборотов насосов, подключённых к «выбегающему» генератору, и положительного парового коэффициента реактивности (см. ниже) реактор испытывал тенденцию к увеличению мощности (вводилась положительная реактивность), однако в течение почти всего времени эксперимента поведение мощности не внушало опасений.

В 1:23:39 зарегистрирован сигнал аварийной защиты АЗ-5 от нажатия кнопки на пульте оператора. Поглощающие стержни начали движение в активную зону, однако вследствие их неудачной конструкции и заниженного (не регламентного) оперативного запаса реактивности реактор не был заглушён. Через 1—2 с был записан фрагмент сообщения, похожий на повторный сигнал АЗ-5. В следующие несколько секунд зарегистрированы различные сигналы, свидетельствующие о быстром росте мощности, затем регистрирующие системы вышли из строя.

По различным свидетельствам, произошло от одного до нескольких мощных ударов (большинство свидетелей указали на два мощных взрыва), и к 1:23:47—1:23:50 реактор был полностью разрушен.

Существуют по крайней мере два различных подхода к объяснению причин чернобыльской аварии, которые можно назвать официальными, а также несколько альтернативных версий разной степени достоверности.

Грубые нарушения правил эксплуатации АЭС, совершённые её персоналом, согласно этой точке зрения, заключаются в следующем:

- проведение эксперимента «любой ценой», несмотря на изменение состояния реактора;

- вывод из работы исправных технологических защит, которые просто остановили бы реактор ещё до того, как он попал в опасный режим;

- замалчивание масштаба аварии в первые дни руководством ЧАЭС.

Основными факторами, внесшими вклад в возникновение аварии, INSAG-7 считает следующее:

- реактор не соответствовал нормам безопасности и имел опасные конструктивные особенности;

- низкое качество регламента эксплуатации в части обеспечения безопасности;

- неэффективность режима регулирования и надзора за безопасностью в ядерной энергетике, общая недостаточность культуры безопасности в ядерных вопросах как на национальном, так и на местном уровне;

- отсутствовал эффективный обмен информацией по безопасности как между операторами, так и между операторами и проектировщиками, персонал не обладал достаточным пониманием особенностей станции, влияющих на безопасность;

- персонал допустил ряд ошибок и нарушил существующие инструкции и программу испытаний.

Последствия

Непосредственно во время взрыва на четвёртом энергоблоке погиб только один человек (Валерий Ходемчук), ещё один скончался утром от полученных травм (Владимир Шашенок). Впоследствии у 134 сотрудников ЧАЭС и членов спасательных команд, находившихся на станции во время взрыва, развилась лучевая болезнь, 28 из них умерли в течение следующих нескольких месяцев.

В 1:24 ночи на пульт дежурного ВПЧ-2 по охране ЧАЭС поступил сигнал о возгорании. К станции выехал дежурный караул пожарной части (на ЗИЛ-131), который возглавлял лейтенант внутренней службы Владимир Павлович Правик. Из Припяти на помощь выехал караул 6-й городской пожарной части, который возглавлял лейтенант Виктор Николаевич Кибенок. Руководство тушением пожара принял на себя лейтенант В. П. Правик. Его грамотными действиями было предотвращено распространение пожара. Были вызваны дополнительные подкрепления из Киева и близлежащих областей (так называемый «номер 3» — самый высокий номер сложности пожаров).

Из средств защиты у пожарных были только брезентовая роба (боёвка), рукавицы, каска. Звенья ГДЗС были в противогазах КИП-5. Из-за высокой температуры пожарные сняли их в первые минуты. К 4 часам утра пожар был локализован на крыше машинного зала, а к 6 часам утра был затушен. Всего принимало участие в тушении пожара 69 человек личного состава и 14 единиц техники. Наличие высокого уровня радиации было достоверно установлено только к 3:30, так как из двух имевшихся приборов на 1000 Р/ч один вышел из строя, а другой оказался недоступен из-за возникших завалов. Поэтому в первые часы аварии были неизвестны реальные уровни радиации в помещениях блока и вокруг него. Неясным было и состояние реактора. Была версия, что реактор цел и нужно его охлаждать.

Пожарные не дали огню перекинуться на третий блок (у 3-го и 4-го энергоблоков единые переходы). Вместо огнестойкого покрытия, как было положено по инструкции, крыша машинного зала была залита обычным горючим битумом. Примерно к 2 часам ночи появились первые поражённые из числа пожарных. У них стала проявляться слабость, рвота, «ядерный загар». Помощь им оказывали на месте, в медпункте станции, после чего переправляли в городскую больницу Припяти. 27 апреля первую группу пострадавших из 28 человек отправили самолетом в Москву, в 6-ю радиологическую больницу. Практически не пострадали водители пожарных автомобилей.

В первые часы после аварии, многие, по-видимому, не осознавали, насколько сильно повреждён реактор, поэтому было принято ошибочное решение обеспечить подачу воды в активную зону реактора для её охлаждения. Для этого требовалось вести работы в зонах с высокой радиацией. Эти усилия оказались бесполезны, так как и трубопроводы, и сама активная зона были разрушены. Другие действия персонала станции, такие как тушение очагов пожаров в помещениях станции, меры, направленные на предотвращение возможного взрыва, напротив, были необходимыми. Возможно, они предотвратили ещё более серьёзные последствия. При выполнении этих работ многие сотрудники станции получили большие дозы радиации, а некоторые даже смертельные.

Авария на Фукусиме

Атомная электростанция Фукусима-1 — АЭС, расположенная в городе Окума в префектуре Фукусима. Её шесть энергоблоков суммарной мощностью 4,7 ГВт делали Фукусиму-1 одной из 25 крупнейших атомных электростанций в мире. 

Но 11 марта 2011 года недалеко от японских островов произошло землетрясение, ставшее пятым по силе за всю историю наблюдений. На атомной электростанции «Фукусима-1» три работающих энергоблока были остановлены действием аварийной защиты, все аварийные системы сработали в штатном режиме. Однако спустя час, из-за последовавшего за землетрясением цунами, было прервано электроснабжение. Электроснабжение необходимо для отвода остаточного тепловыделения реакторов, которое на момент остановки составляет около 6,5% от номинального уровня мощности. Аварийных батарей хватило всего на пару часов. К тому же морская вода, залившая подвалы, закоротила главный электрораспределительный щит, и все действия были уже бесполезны. В условиях отсутствия присутствия достаточного охлаждения, во всех трёх энергоблоках начал снижаться уровень теплоносителя и стало расти давление, создаваемое образующимся паром. Первая серьёзная ситуация возникла на энергоблоке № 1. Для недопущения повреждения реактора высоким давлением, радиоактивный пар сначала сбрасывали в гермооболочку, давление в которой возросло до 840 кПа, при расчётном значении в 400 кПа. Чтобы гермооболочка не разрушилась, пар пришлось сбрасывать в атмосферу.

Давление в гермооболочке удалось сбросить, однако, в обстройку реакторного отделения проникло большое количество водорода, образовавшегося в результате оголения топлива и окисления циркониевой оболочки ТВЭЛов паром. Вентиляция здания без электроснабжения почти не работала.

12 марта в 9:36 по московскому времени водород взорвался. Четыре человека, принимавшие участие в работах на станции, получили ранения и были направлены в больницы. Уровень радиации на границе промплощадки станции сразу после взрыва достиг 1015 мкЗв/час, что гораздо выше нормы. 

4 марта на третьем энергоблоке произошел взрыв водорода. Ударная волна ощущалась на расстоянии до сорока километров. Были ранены 11 человек. Радиационный фон в окрестностях станции составил 751 мкЗв/час.

15 марта, примерно в 6:20 по местному времени произошел взрыв на 2 энергоблоке АЭС. Одновременно с этим, на блоке № 4 произошёл пожар в хранилище отработанного ядерного топлива, в результате которого испарились многие литры радиоактивной воды. Пожар был потушен в течение двух часов.

24 мая выясняется, что ядерное топливо, так называемый кориум, смешавшись с водой, использовавшийся для тушения пожаров, ушел в подвалы, а оттуда и под землю.

27 июня построили защитные купола над 1, 2 и 3 реакторами. Правда оставалась возможность, что радиоактивные жидкости уйдут с грунтовыми водами, что не сулило ничего хорошего.

Спустя 2 года радиоактивные вещества начали утекать в океан, это повлекло за собой тяжелые экологические последствия.

2.2. Влияние АЭС на здоровье человека.

На сегодняшний день по поводу влияния АЭС и вообще атомных предприятий на состояние здоровья людей ведутся жаркие споры. После публикаций, казалось бы, безупречных доказательств такого опасного влияния всегда находятся авторы, ставящие под сомнение эти выводы. В то же время существует огромное число исследований, посвящённых влиянию на здоровье человека тех или иных радионуклидов.

Один из самых обычных в выбросах АЭС радионуклид – цезий-137. Он быстро концентрируется в пищевых цепочках и, попадая в организм человека, задерживается в мускульных клетках, являясь причиной одного из разновидностей раковых заболеваний – саркомы. Стронций-90 также присутствует в выбросах большинства АЭС. Попадая в организм человека, он может замещать кальций в твердых тканях и грудном молоке. Он ведет к развитию рака кости, рака крови (лейкемии), к раку груди. Один из глобальных радионуклидов – криптон-85 – поглощается тканями тела при дыхании и хорошо растворяется в жировых тканях человека и животного. Известно, что даже малые дозы облучения криптоном-85 могут повысить частоту рака кожи.

Одно из наиболее обстоятельных исследований влияния АЭС на состояние здоровья населения было проведено группой американских исследователей (Р. Бертель, Н. Якобсоном и М. Стогром) по данным медицинской статистики штата Висконсин, США. По уровню смертности грудных детей, родившихся с пониженным (менее 2500 г.) весом, сравнивались две группы районов: первая – районы, расположенные вблизи или с подветренной стороны АЭС; вторая – районы, расположенные далеко от АЭС. Сопоставление этих данных позволило установить существование статистически достоверной корреляции между смертностью детей с пониженным весом и проживанием родителей в зоне влияния АЭС.

В 1999 г. опубликован анализ показателей детской смертности и числа выкидышей вокруг АЭС “Салем” в штате Нью-Джерси. AЭС вступила в строй в 1977 г., и с тех пор во все годы её работы на территориях, к ней прилегающих, уровень детской смертности и относительное число выкидышей были выше, чем для всего штата. Эти показатели пришли в норму (т.е. резко уменьшились) с 1994 по 1996 годы, когда реакторы АЭС были остановлены или переведены на минимальную мощность. В апреле 2000 г. были опубликованы результаты обширного эпидемиологического исследования состояния здоровья детей, живущих в окрестностях пяти АЭС США после их закрытия : “Форт Сант Врейн” (Колорадо), “ЛяКрос” (Висконсин)”, “Миллстоун/Хаддам Нэк”, “Ранчо Сэко” (Калифорния) и “Троян” (Орегон). В первые два года после закрытия АЭС младенческая смертность в секторе 64 км (40 миль) с подветеренной стороны от АЭС упала на 15-20 % по сравнению с предыдущими двумя годами.
Это исследование документирует улучшение здоровья после закрытия атомных станций.^[1]

3. Выгодна ли ядерная энергетика?

Ядерная энергетика отличается от большинства конкурирующих технологий, производящих электроэнергию тем, что требует чрезвычайно больших капиталовложений. Существенные инвестиции требуются на стадии строительства реактора, но они компенсируются относительно низкими затратами на эксплуатацию и топливо во время последующих лет жизнедеятельности реактора. Бухгалтерский метод, известный «скидками издержек в течении истории», распространенный в индустрии электроснабжения, распределяет капитальные издержки на период существования станции, а инфляция, таким образом, уменьшает очевидную стоимость начальных капитальных затрат. При занижении таким образом капитальных затрат, ядерное топливо выглядит дешевле по сравнению с углем.

Руководители энергокомпаний осознают, что их собственные цифры затрат неправдоподобны. Компании относительно свободные от влияния и воздействия правительства, в состоянии сильнее отражать «рыночные силы», поэтому ядерная энергия отвергается ими безоговорочно. Например в США с 1974 года не было ни одного заказа на новую АЭС, который не был бы в последствии или отменен или отложен на неопределенный срок. А с 1978г. их не поступало вообще.

Совершенно очевидна неизбежность колоссальных затрат на ликвидацию последствий ядерных аварий. Ни одна из АЭС не застрахована настолько, чтобы покрыть расходы на ликвидацию последствий катастрофы масштаба Чернобыля. Законодательство защищает ядерную индустрию от полного банкротства. Внутренняя политика страхования в частности исключает положение о компенсации убытков, понесенных в следствии ядерных аварий. Единственные международные договора, относящиеся к области компенсации в случае транснациональных последствий ядерной аварии, устанавливают самую большую неадекватную компенсацию в размере 5 млрд. долларов. И только небольшое количество стран подписались под этим соглашением. Ни одна из стран, пострадавших от Чернобыльской аварии, не получила до сих пор ни какой компенсации от Советского Союза. Таким образом, настоящие затраты на ядерную энергетику остаются скрытыми от нас.

В цену атомной энергии никогда не включали реальную стоимость обращения с ядерными отходами и цену вывода из эксплуатации атомных реакторов. Отчасти это происходило из-за того, что реальной стоимости вывода реакторов из эксплуатации никто не знал, да и сейчас, когда только наступает время выводить из строя атомные мощности, она сильно колеблется в разных источниках. Но, в любом случае, реальная цена атомной энергетики до сих пор фактически неизвестна. Однако можно смело говорить о том, что она много выше той, которая декларируется атомной индустрией. В тех странах, где действуют принципы рыночной экономики, цены на атомную энергию уже существенно растут.

 Сейчас Российская атомная энергетика живет за счет прежних (складских) запасов урана, оставшихся с времен СССР, после истощения которых придется делать значительные инвестиции в развитие сырьевой базы.

4. Зависимы ли мы от атома?

Каково значение атомной энергетики в современной экономике? Нынешняя энергодобыча и энергоснабжение зависят от полезных ископаемых.

Среди лидеров ресурсного ряда 7% отводится нефти, 29% - углю и торфу, 7% - природному газу. По данным Всемирного ядерного университета (WNU), каждый из источников электроэнергии занимает определенную долю в мире (см. Приложение 1)

Доля атомной энергетики в производстве электроэнергии в отдельных странах,^[2] представлена в приложении 2

Ядерные реакторы в отдельных странах Европы (цифры в скобках указывают на строящиеся объекты или те, которые планируется построить): см. приложение 3

Серьезная авария в Японии на атомной электростанции "Фукусима-1" породила слухи об отказе стран мира от атомного способа производства электричества. Экономисты уверяют, что движение в развитии отрасли будет однозначно – вопрос лишь в том, вперед или назад, но ясно одно – закрыть отрасль уже не получится. Атомная электрогенерация приносит миру около 16% всего электричества.

Европа. Японская катастрофа взбудоражила пол Европы. Бельгия и Швейцария первыми объявили об отказе от ядерной энергетики. Германия приняла решение закрыть недостроенные и работающие АЭС, отметить строительные проекты по планирующимся АЭС. Такую же точку зрения приняла Италия и Великобритания;
Франция, являясь лидером региона по воспроизводству электроэнергии посредством АЭС, сегодня говорит о целесообразности такого способа эксплуатации. Все дело в том, что японская авария заставила правительства стран мира провести оценку состояния собственных АЭС, что отразило печальные результаты. Страны, к числу которых относится и Франция, до сих пор принимают решение в выборе между инвестированием больших средств на модернизацию станций и просто закрытием АЭС.

Сегодня ни один вид создания электроэнергии не может перекрыть 16%-ную ее долю в мире, добываемую атомным путем. Осуществить закрытие АЭС можно быстро, однако совсем свежий опыт Германии показывает, что не стоит этого делать, не убедившись, что у страны существуют дополнительные источники воспроизводства, которые в полной мере могут восполнить объемы, производимые АЭС.

5. Как заменить ядерную энергетику?

5.1. Гидроэлектростанции (ГЭС)

ГЭС - электростанции использующие энергию водяного потока.
Вода под большим напором крутит турбину, выделяющую энергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Плюсы:

- Дешевая энергия

- Вода – возобновляемый источник энергии

- Никаких отходов

- В водохранилищах можно разводить рыбу

Минусы:

- Глобальные повреждения экосистемы – осушение рек, заводнение огромных территорий

- Требуются большие запасы воды

- Высокая сейсмическая активность в местах расположения водохранилищ.

При пробитии плотины случится затопления колоссальных территорий, при том, что вблизи водохранилищ находятся множество построек, в том числе и жилых.

5.2. Ветряные электростанции

Альтернативная энергетика выходит на новый уровень развития, становясь очень популярной. Ветроэнергетика вызывает повышенный интерес по целому ряду причин. Главной из них является автономность, независимость ветрогенератора от общей системы электроснабжения. 

Среди реализуемых нашей компанией проектов неизменный интерес вызывают ветряные электростанции, так как использование нескольких источников генерации электроэнергии позволяет иметь надежный и неприхотливый источник энергии. 

Наличие в качестве генерации источников ВИЭ (возбновляемых источников энергии) - солнца, ветра - позволяет достигать высокой экономичности расхода топлива ДГУ, увеличения ее ресурса, а при наличии достаточных ветровых и солнечных условий и вовсе свести расход ГСМ к минимуму. Экономия топлива дизель-генератором станции достигает 80% и более по сравнению с обычными дизель-генераторами. 

Ветрогенератор может являться как единственным источником энергии объекта, так и использоваться в качестве дополнения, экономя потребляемую электроэнергию. Или, вообще, включаться только при аварийном отключении от электросети.

Запасы ветровой энергии, по сути дела, безграничны. Эта энергия возобновляема, и в отличие от тепловых станций ветроэнергетика не использует богатства недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с огромными затратами труда.

К тому же тепловые станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭС создают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие. С другой стороны, ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС или АЭС, по сравнению с ними занимает гораздо большую площадь. И справедливости ради надо сказать, что ветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который и называют ветроколесом. Теорию его еще в начале XX века разработал известный русский учёный Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным 59,3 процента.

Ветер — стихия весьма капризная: то он дует с одной стороны, через некоторое время — с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергию воздушною потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для пой цели служат специальные устройства — хвостовая пластина (флюгер) и ни небольшое ветровое колесо (виндроза).

Ветер редко дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость — замедлилось или ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через Который вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы вал нращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.

Для получения энергии ветра используются разные конструкции. Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, ЧТО улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приходят в действие электрогенератор.

Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) Является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, усыновленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачу кондиционирования им обрабатываемой электроэнергии выполняет электроника.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топ-нива очень дорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, Крайний Север и т.д.

При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7—8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.

Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено около тысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 1000 МВт.^[3]

Обычно для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы, в основном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором. Еще один вариант — гидравлические аккумуляторы. Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз, она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

В Испании довольно долго работала удивительная ветроустановка, сама создававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокой трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникала ровная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепенно металлическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного урагана ремонтировать систему не стали.

ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов была создана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций — с асинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянного тока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 5—6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такой ВЭУ в 1,4— 1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки — 460 килограммов.

Как известно, беда многих ветряков — мощные воздушные потоки, под действием которых они нередко ломаются. В «Конвет-1Э» применили различные автоматические устройства, чтобы не дать колесу чрезмерно раскрутиться при сильном ветре. Конструкторам удалось добиться аэродинамического КПД в 46—48 процентов. Это достигнуто за счет применения высококачественных неметаллических лопастей с более совершенным, крученным по длине профилем.

Быстроходные ветроустановки иностранных фирм работают главным Образом, начиная со скоростей ветра 5—6 метров в секунду. Особая конструкция лопастей и специальные приспособления позволяют «Конвету-1Э» эффективно начинать работать уже при силе ветра 4 метра в секунду.

Суммарная мощность ветроустановок в мире быстро возрастает. По использованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе — Германия, Англия, Дания и Нидерланды.

Германия получает от ветра десятую часть своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного» электричества падает. Так, в 1993 году во Франции се-(ч-стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза.

5.3. Солнечные электростанции

Все солнечные электростанции (сэс) подразделяют на несколько типов:

- СЭС башенного типа

- СЭС тарельчатого типа

- СЭС, использующие фотобатареи

- СЭС, использующие параболические концентраторы

- Комбинированные СЭС

- Аэростатные солнечные электростанции

- Солнечно-вакуумные электростанции

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотобатареи

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболоцилиндрическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течеттеплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечно-вакуумные электростанции

Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путем использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стеклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём испоользования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серъёзным преимуществом.

6. Что думают люди о проблемах энергетики?

Специально для этой научно - практической работы я подготовил несколько опросов. Для их составления были опрошены 122 человека, разных возрастных групп

Опрос 1:

Опрос 2:

Опрос 3:

Эти три опроса показывают то, что многие люди считаю возможной замену ядерной энергетики и даже считают ее опасной. Однако многие люди не понимают, какой ущерб АЭС способны нанести окружающей среде.

Заключение

В этой работе я разносторонне рассматривал ядерную энергетику, и наконец, пришло время подвести итоги. Ядерная энергетика сильно вредит человеку и природе, не только опасными выбросами в атмосферу но и ядерными отходами, которые могут хранится до 1000 лет. Также любая авария на АЭС влечет за собой колоссальные экологические и материальные проблемы. Жизнь около атомных электростанций также сказывается на здоровье людей отрицательно, в частности развитием раковых заболеваний.

По материалу, приведенному в работе можно понять, что строительство АЭС невыгодно, вопреки тому, что говорят многие, так как в атомных электростанциях есть свои подводные камни, вроде утилизации отходов, что стоит немалых денег.

Но хоть зависимость России от «мирного атома» достаточно велика, это не значит, что он незаменим. Если вложить бюджет в развитие альтернативной энергетики, то возможно в будущем можно будет не только достаточно сократить загрязнение окружающий среды от ядерных отходов, но и чувствовать себя спокойно без АЭС под боком.

Опросы, приведенные в данной работе, показали, что другие люди тоже считают возможной замену ядерной энергетики на альтернативную энергию.

Но если сидеть на месте, то ничего не получиться, надо заниматься изучением новых способов получения энергии и улучшением старых.
Может, через несколько лет мы сможем пользоваться по - настоящему безопасной атомной энергией.

Приложение 1. Традиционные источники электроэнергии в мире.

Приложение 2. Таблица зависимости стран от ядерной энергетики

Приложение 3. АЭС в странах Европы

Список литературы

1.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/ATOMNAYA_ENERGETIKA.html

2. http://info-gid.ru/vliyaet-li-aes-na-zdorove/

3. http://www.antiatom-nn.org

4. http://www.liveinternet.ru/

5. http://ru.wikipedia.org/

6. http://research-journal.org/