4.3. Солнечная энергия
4.3.1. Гелиоустановки на широте 60o
4.3.2. Гелиомобиль сегодня
4.3.3. Преобразователи солнечной энергии
4.3.4. Концентраторы солнечного света
4.3.5. Жилой дом с солнечным отоплением
4.4. Энергия ветра
4.4.1. Ветер
4.4.2. Упряжь для ветра
ВВЕДЕНИЕ
Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Производительность -- и, в конечном счете, прибыль -- в значительной степени зависит от стабильности подачи энергии. Наличие энергии -- одно из необходимых условий для решения практически любой задачи.
Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в виде удобном для использования, а само получение -- только преобразование из одного вида в другой.
В предлагаемой книге ставилась цель представить сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли и ассортимент источников и устройств преобразования электрической энергии, доступных для практического использования, от производителей присутствующих на нашем рынке. В приводимых примерах использован опыт разработок реальных проектов отечественных и зарубежных фирм (см. стр. 106).
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности -все это требует затрат энергии.
Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества (гл. 1).
Одной из важных проблем в энергетике, кроме получения энергии, является обеспечение возможностей ее хранения и транспортирования. Химические источники тока, известные более 100 лет, позволяют вырабатывать, хранить и преобразовывать энергию. Они являются непременными спутниками любых автономных источников энергии (гл. 2).
Наиболее универсальная форма энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Прекращение подачи электроэнергии парализует все виды деятельности. Для того чтобы этого не произошло -- используются системы бесперебойного электропитания и автономные источники энергии (гл. 3 и 4).
Потребности в энергии продолжают постоянно расти. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Более того, в некоторых странах они уже существуют.
Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся.
Несмотря на то, что количество разведанных запасов некоторых энергетических ресурсов, например, нефти, возрастает, перед человечеством уже сегодня встает задача освоения неисчерпаемых источников энергии.
В течение следующего века начнется переход к другим источникам энергии, после чего человечество прочно встанет на путь создания неисчерпаемой системы снабжения энергией.
Поскольку, еще можно выбирать между различными источниками энергии решающее значение для выбора имеет стоимость энергии. В отличие от нефти сегодня в мире не существует каких-то единых цен на уголь. Его стоимость колеблется в зависимости от содержания тех или иных компонентов, возможности использования для определенных целей, условий транспортировки и т.д.
Что касается ядерной энергии, то здесь ситуация парадоксальна. Можно утверждать, что атомная энергетика возникла слишком рано и одновременно слишком поздно.
Если мы говорим "рано", то это означает, что ее использование еще не стало насущно необходимым, так как сегодня и в ближайшие десятилетия еще есть возможность пользоваться нефтью и газом. Во втором случае речь идет о том, что использование возможностей атомной энергетики не внесло существенного вклада в энергетику [1].
До настоящего времени работы по управляемому термоядерному синтезу не вышли из экспериментальной стадии. Поэтому на этот вид безграничных энергетических ресурсов пока рассчитывать не приходится.
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество (гл. 4). Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.
Глава 1
ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА И СЕГОДНЯ
На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики. Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию.
В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и тепло на крупных станциях, а затем передавать их потребителям находящимся на расстоянии. Такие системы были оправданы -- они возникли в те годы, когда основным источником энергии для страны был каменный уголь. Сжигать его трудно -- нужна сложная техника для размола. Кроме того, следовало располагать станции подальше от жилья.
Затем появились электростанции и котельные на мазуте. Но мазут -- это топливо доступное только для сжигания на крупных установках, причем, с обилием выделяемых токсичных газов в выбросах из дымовых труб.
Атомные электростанции наносят не меньший ущерб. Утилизация отработанного топлива ядерных реакторов и тепла, последствия радиоактивных выбросов и аварий -- неполный перечень недостатков "мирного атома".
Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб, который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы.
В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос.
Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле. Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте -запоют иначе" [2].
Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества" имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.
Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие необходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде.
Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газом вносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики.
Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти.
До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.
В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", что энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение десятилетий угробят человечество.
Парниковый эффект
Опасность парникового эффекта человечество осознало сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами, происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет излучение солнца.
Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК. Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая 2 на рис. p082).
Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение. Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на участке кривой 2.
Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.
На рис. p083 показано изменение концентрации СО2, измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров, поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая" картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год, количество углекислого газа в атмосфере возросло.
За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия прогнозировался рост температуры на несколько градусов. Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее. Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов, повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок" Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.
Топливные ресурсы Земли