Нетрадиционные источники энергии и их влияние на окружающую среду - Экология - Скачать бесплатно
Реферат по биологии и экологии
по теме:
«Нетрадиционные источники энергии и их влияние на окружающую среду».
Москва 2002 год.
Использование любого вида энергии и производство электроэнергии
сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Перечень
таких загрязнителей удивительно длинен, а их количества чрезвычайно
огромны. Вполне естественно возникает вопрос, всегда ли использование
энергии и производство электроэнергии должно сопровождаться разрушением
окружающей среды. И если правда, что любой вид человеческой деятельности
неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда
различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для
поддержания жизненных процессов как таковых необходимо поглощать и
использовать энергию.
Человек, безусловно, оказывает влияние на окружающую его среду, однако
в природе существуют естественные уравновешивающие механизмы, которые
поддерживают среду и обитающие в ней сообщества в состоянии равновесия,
когда все изменения происходят достаточно медленно. Тем не менее во многих
случаях хозяйственная деятельность человека нарушает равновесие,
создаваемое этими механизмами, что приводит к быстрым изменениям условий
окружающей среды, с которыми ни человек, ни природа не могут успешно
справиться. Традиционное производство энергии, дающее огромные количества
загрязнителей воды и воздуха, - один из видов такой деятельности человека.
В моей работе я хочу рассмотреть получение электроэнергии за счет
природных источников, таких, как падающая вода, ветер и энергия Солнца.
Эти способы получения электроэнергии представляются более мягкими в смысле
воздействия на окружающую среду, чем сжигание ископаемого топлива или
расщепления ядерного урана. Кроме того, все перечисленные выше источники
энергии возобновляемы, т. е. практически они доступны всегда и везде.
Удивительно, что всего двести лет назад человечество помимо энергии самого
человека и животных располагало только тремя видами энергии. И источником
этих всех трех видов энергии было Солнце. Энергия ветра вращала крылья
ветряных мельниц, на которых мололи зерно или ткали. Для того чтобы можно
было воспользоваться энергией воды, необходимо, чтобы вода бежала вниз к
морю от вышерасположенного истока, где река наполняется за счет выпадающих
дождей.
За последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно
возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. По мере того
как поставки топлива становятся менее надежными и более дорогостоящими, эти
источники становятся все более привлекательными и более экономичными.
Повышение цен на нефть и газ послужило главной причиной того, что мы вновь
обратили свое внимание на воду, ветер и Солнце.
Солнечная энергия.
Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения (в основном
света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её
запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет
«гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым
энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной
энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и
используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из
углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в
виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения
удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов
экосистем.
Посчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии вполне
достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не
только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, вне зависимости от
того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и
состоянии биосферы это никак не отразится.
Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не
достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно
большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно
использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того надо
уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и
ночью, и пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для
преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса по
крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается.
Главное – использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была
минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий
и дорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все
новые области применения.
Световое излучение можно улавливать непосредственно, когда оно
достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии.
Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и
накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим
энергоресурсам, мы по сути дела занимаемся непрямым использованием
солнечной энергии.
Центральные солнечные электростанции.
Энергетическая башня. Древняя легенда повествует, что Архимед спас
свой родной город Сиракузы с помощью солнечной энергии. Приказав тысяче
солдат повернуть свои щиты к солнцу и выстроив их в линию в форме параболы,
Архимед сфокусировал отраженные солнечные лучи на парусах кораблей
вторгшегося флота и сжег их. Это и есть принцип действия энергетической
башни: лучи солнца концентрируются в одном пункте соответственно
расположенными зеркалами. Эти зеркала (гелиостаты) поворачиваются на
протяжении дня, чтобы следовать за солнцем в его небесном пути. Они
отражают солнечные лучи и фокусируют их на энергетической башне, где
огромная концентрация энергии заставляет воду кипеть и превращаться в пар.
Пар по трубам поступает в турбину на Землю, вращает ее и вырабатывает
электричество.
На Крымском побережье Азовского моря построена солнечная
электростанция (СЭС - 5) Мощность этой электростанции – 5000 квт.
СЭС–5 предназначена главным образом для проведения экспериментов,
направленных на отработку и усовершенствование систем и режимов
эксплуатации крупных СЭС башенного типа с целью разработки новой надежной,
эффективной технологии. Вместе с тем, СЭС-5 вырабатывает электроэнергию и
выдает ее в Крымскую энергосистему.
Ученые считают, что мощные солнечные электростанции по своей
экономичности смогут стать в один ряд с современными тепловыми и атомными
электростанциями.
Солнечные пруды. Солнечные пруды – еще более дешевый способ улавливать
солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом
(очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность
рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не
смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но
поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует
как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Иными словами, в солнечных
прудах используется тот же принцип, что и в парниках, только земля и стекло
заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли
может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для
выработки электричества; им нагревают жидкости с низкой точкой кипения,
которые, испаряясь, приводит в движение турбогенераторы низкого давления.
Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный
теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.
К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной
энергии относится то, что для них нужны большие площади, причем
относительно недалеко (в пределах 80 км) от потребителя. Иначе потери при
передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Правда, со временем могут
появиться сверхпроводящие линии электропередач, которые решат проблему,
однако в ближайшем будущем строительство энергобашен и солнечных прудов
ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных
свободных территорий. С другой стороны, солнечные батареи можно размещать
на крышах зданий.
Перспективы солнечной энергетики.
Использование солнечной энергии может быть полезно в нескольких отношениях.
Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение
воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение
импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы
снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные
источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость
от бесперебойного снабжения топливом.
Энергия воды.
Гидроэнергия.
Поскольку солнечное излучение – движущая сила круговорота воды в
природе, энергия воды, или гидроэнергия, также относится к преобразованной
энергии Солнца. Вода, которую еще в древности использовали для совершения
механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии –
теперь уже электрической – для нашей промышленной цивилизации. Энергия
падающей воды, вращающей водяное колесо, служила непосредственно для
размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако
мельницы и лесопилки на наших реках стали исчезать, когда в восьмидесятых
годах позапрошлого века началось производство электроэнергии у водопадов.
Производство электроэнергии на гидростанциях обычного типа.
Вода из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый
напорным трубопроводом, и направляется на горизонтально вращающиеся лопасти
турбины. Вертикальный вал турбины соединен с блоком генератора. На типичной
станции используется много турбинно-генераторных агрегатов. Коэффициент
полезного действия нередко составляет около 60-70%, т. е. 60-70% энергии
падающей воды преобразуется в электрическую энергию.
Сооружение гидростанций обходится дорого, и они требуют
эксплутационных расходов, но зато работают на бесплатном «топливе»,
которому не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии служит солнце,
испаряющее воду из океанов, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде
дождя, выпадающего в возвышенных местностях и стекающего вниз в моря.
Гидростанции встают на пути этого стока и перехватывают энергию движущейся
воды – энергию, которая иначе была
бы израсходована на перенос отложений к морю.
Региональное распределение гидроэнергетических ресурсов.
|Регион. |Потенциальная |Доля всех |Освоенная |
| |мощность, тыс. |ресурсов мира, |мощность, тыс. |
| | |% |Мвт |
| |Мвт | | |
| | | | |
|Северная |313 |11 |59 |
|Америка | | | |
|Южная Америка |577 |20 |5 |
|Западная Европа|158 |6 |47 |
|Африка |780 |27 |2 |
|Средний Восток |21 |1 |- |
|Юго-Восточная |455 |16 |2 |
|Азия | | | |
|Дальний Восток |42 |1 |19 |
|Австралия |45 |2 |2 |
|Россия, Китай и|466 |16 |16 |
|др. | | | |
Однако гидроэнергетика не безвредна для окружающей среды. Когда
течение реки замедляется, как это обычно и бывает при попадании ее вод в
водохранилище, взвешенный осадок начинает опускаться на дно. Ниже
водохранилища чистая вода, попавшая в реку, гораздо быстрее размывает
речные берега, как бы восстанавливая тот объем осадков, который был утрачен
в водохранилище. Усиление эрозии берегов ниже по течению от водохранилища –
обычное явление.
Дно водохранилища покрывается осадками, принесенными из регионов,
расположенных выше по течению. Этот слой осадков периодически выступает на
поверхность или затопляется вновь, когда уровень водохранилища поднимается
и падает в результате притока или сброса воды. Постепенно осадков
накапливается столько, что если их регулярно не вычерпывать, то они
начинают занимать часть полезного объема водохранилища. Это означает, что
водохранилище, сооруженное для хранения запасов воды или контроля за
наводнениями, постепенно утрачивает свою эффективность, если не очищать его
от накапливающихся твердых осадков.
Накопление слишком большого количества осадков в водохранилище можно
частично предотвратить. Эрозия и перенос осадков представляют собой
естественные и непрерывные процессы, однако сельскохозяйственные работы,
прокладка дорог строительство домов и вырубка лесов – все это ускоряет
эрозионные процессы, обнажая почву. Тщательный контроль за состоянием почвы
способствует уменьшению количества обломочного материала, уносимого
потоками, и тем самым предотвращает быстрое накопление осадка в
водохранилищах.
Невидимые до поры груды осадков, которые становятся видимыми лишь во
время низкого стояния воды в водохранилище, - не единственная причина, по
которой многие выступают против строительства плотин. Существует и другая,
более важная причина: после заполнения водохранилища под водой оказываются
ценные земли, которые утрачиваются навсегда. Исчезают также ценные животные
и растения, причем это не только сухопутные виды; рыбы, населяющие
перегороженную плотиной реку, тоже могут исчезнуть, поскольку плотина
преграждает путь к местам нереста.
Существует и иные аспекты, связанные со строительством водохранилищ. В
определенные периоды времени в году качество воды в водохранилище и
качество воды, выпускаемой из него, может быть на редкость низким. В
течение лета и осени нижние слои воды в водохранилище могут стать очень
бедными кислородом. Недостаток кислорода обусловлен сочетанием двух
процессов. Во-первых, неполным перемешиванием воды в водохранилище в
течение лета и ранней осени. Во-вторых, бактериальным разложением отмерших
растений в донных слоях водохранилища, что требует большого количества
кислорода. Если эта бедная кислородом вода выпускается из водохранилища, то
наносится ущерб рыбе и другим водным организмам ниже по течению.
Чтобы создать преимущество более высокой водной поверхности или более
равномерного стока, фактически нет необходимости строить плотину на
свободно текущей реке. Частично отводя воду верхнего течения, можно создать
искусственное озеро и в стороне от реки. Такое озеро обладает преимуществом
как высоты напора, так и постоянно доступного водного резерва.
Энергия приливов.
В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также
заключена огромная энергия.
Приливы – это результат гравитационного притяжения больших масс воды
океанов со стороны Луны и, в меньшей степени, Солнца. При вращении Земли
часть воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом
положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема воды достигает
суши, как это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает
прилив. Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту часть
океана, и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки, хотя
их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны
Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исключением тех
случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В
таких случаях возникает волна, высота которой может в 10-20 раз превышать
нормальную высоту приливного подъема. Каждый год наиболее высокие приливы
случаются тогда, когда Луна и Солнце находятся почти на одной линии, так
что суммарное гравитационное воздействие увеличивает объем перемещаемой
океанской воды.
Работа приливной электростанции.
На реке построена плотина для задержки вод высокого прилива. Когда
приливные воды отступают, задержанная плотиной вода выпускается в океан
через грушевидные турбины под плотиной и вырабатывается электроэнергия.
Однако можно вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе.
Приливная волна задерживается позади плотины в результате открытия
ряда донных затворов, что позволяет ей двигаться вверх по реке в
направлении истока. Затворы закрывают тогда, когда прилив достигает
наивысшего уровня, а затем, по мере отлива, воде, запертой за плотиной,
позволяют стекать к морю через турбины. При низком уровне воды, т. е. при
отливе, большая часть этой воды спускается. Когда приливные воды снова
наступают, они оказываются перед закрытыми затворами, и уровень воды со
стороны моря превышает ее уровень на стороне плотины, обращенной к суше.
После того как будет достигнут достаточный напор, воде позволяют течь вверх
по реке, проходя через турбины, и снова вырабатывать электричество. Таким
образом, энергия вырабатывается за счет отлива, и за счет прилива.
На некоторых станциях применяется замечательная технология. В
последней фазе прилива разница в уровнях воды в резервуаре за плотиной и в
океане может составлять каких-нибудь два метра. В это время электроэнергия
из какого-либо другого источника может быть использована для перекачивания
океанской воды (с помощью турбин) в приливной бассейн. Вода накачивается на
высоту лишь нескольких десятков сантиметров, поэтому не требуется много
энергии. Когда приливная волна отступила, эта дополнительная вода падает с
высоты 6 – 10 м, вырабатывая гораздо больше электроэнергии, чем ее было
затрачено. Та же идея реализуется при отливе, но только в этом случае вода
откачивается из приливного бассейна в океан. При этом уровень воды в
бассейне падает ниже уровня воды в океане и поступающая приливная вода
проходит большую дистанцию.
Из-за огромной стоимости этих сооружений правительства не расположены,
вкладывать средства в приливную энергию. Такие станции стоят в 2,5 раза
больше оценочной стоимости речной гидростанции с такой же средней
выработкой энергии прежде всего из-за дополнительной стоимости защитных
перемычек впереди и позади объекта. Но как только первоначальные инвестиции
сделаны, выработка энергии уже не требует никакого топлива. Необходимо
только техническое обслуживание системы, и поэтому стоимость энергии
остается низкой.
Места, где приливы могли бы быть использованы для выработки
электроэнергии, имеются во всем мире.
Приливные ресурсы в некоторых регионах.
|Регион |Средняя разница между|Средняя возможная |
| |уровнями прилива и |выработка |
| |отлива, м |электроэнергии, Мвт |
|Северн, Англия |9.8 |1680 |
|Мон-Сен-Мишель, |8,4 |9700 |
|Франция | | |
|Белое море, Россия |5,7 |14400 |
|Мезень (эстуарий), |6,6 |1370 |
|Россия | | |
|Пассамакводди, США, |5,5 |1800 |
|Канада | | |
|Кобскук, США |5,5 |722 |
|Аннаполис, Канада |6,4 |765 |
|Майнас-Кобеквист, |10,7 |19900 |
|Канада | | |
|Камберленд, Канада |10,1 |1680 |
|Петиткодиак, Канада |10,7 |794 |
Помимо стоимости сооружения станции, у приливной энергии есть и
другие отрицательные стороны. Если приливная станция находится далеко от
ближайшего крупного центра использования энергии, потребуются длинные
|
