Реферат: Новые источники энергии

Новые источники энергии

Выхлопные газы автомобилей и ТЭЦ до предела загрязняют окружающую нас природу. Автомобиль, например, выбрасывает из двигателя более 200 наименований отравляющих и канцерогенных веществ, как правило, без цвета и запаха, а для сжигания одного килограмма бензина (чуть больше одного литра) расходует 300 литров воздуха. Это до 60 литров чистого кислорода. В среднем каждый автомобиль всего за один час своего движения превращает 3000 литров воздуха в канцерогенные и отравляющие вещества, которыми нам приходится дышать.

Только в Москве ежедневно на активное уничтожение кислорода работают около 3 млн автомобилей. Они превращают 54 млрд литров воздуха в отравляющие вещества. Наше "голубое топливо" — газ, на котором работают большинство ТЭЦ и многие автомобили, на каждый сжигаемый килограмм дает 5 кг отравляющих и канцерогенных соединений, что больше, чем при сжигании угля.

Техническая политика большинства развитых стран на сегодняшний день включает в себя возможность максимального использования гелиотехнологий, работающих на энергии солнца и на использовании водорода в качестве топлива для автомобилей и ТЭЦ. Но уже давно известно, что солнечная энергия, хотя и достается бесплатно, при существующих дорогостоящих технологиях имеет низкую эффективность. Она не способна полноценно заменить традиционные виды топлива. Сжигание же водорода приводит к уничтожению атмосферы земли в тех же объемах, что и бензин. Выделение большого количества пара и воды при сгорании водорода вызывает парниковый эффект, опять-таки нарушающий хрупкое равновесие природы. Не говоря уже о трудоемкости производства водорода и его сомнительной экологичности.

Поэтому многие предлагают широко использовать проверенные на практике новые способы и устройства для производства тепловой и электрической энергии. Это вихревой теплогенератор, работающий на воде, и вихревой двигатель, работающий на воздухе.

В вихревом теплогенераторе вода при работе очищается от вредных микробов и бактерий. Эффективность вихревого теплогенератора выше, чем у любого известного электрического или ядерного источника тепловой энергии. Эффективность вихревого двигателя достигает 97% против 34% — атомных станций, 12% — солнечных батарей.

Как работает
Вихревой теплогенератор (ВТГ), работающий на воде и предназначенный для преобразования электрической энергии в тепловую, был разработан в начале 90-х годов. ВТГ используются для обогрева жилых, производственных и иных помещений горячего водоснабжения. ВТГ возможно использовать для получения электрической или механической энергии.

ВТГ представляет собой цилиндрический корпус, оснащенный циклоном (улиткой с тангенциальным входом) и гидравлическим тормозным устройством. Рабочая жидкость под давлением подается на вход циклона, после чего по сложной траектории проходит через него и тормозится в тормозном устройстве. Дополнительного давления в трубах тепловой сети не создается. Система работает в импульсном режиме, обеспечивая заданный режим температур.

В качестве теплоносителя в ВТГ используется вода или иные неагрессивные жидкости (антифриз, тосол) в зависимости от климатической зоны. При этом специальной подготовки воды (химической очистки) не требуется, так как процесс нагревания жидкости происходит за счет ее вращения по определенным физическим законам, а не под воздействием нагревательного элемента.

Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую у ВТГ первого поколения был не менее 1,2 (то есть КПЕ не менее 120%), что на 40-80% превышало КПЕ существовавших в то время систем отопления. Так, парогазовые турбины фирмы "Сименс" имеют эффективность около 58%. Теплоэлектроцентрали в Московском регионе — 55%, и учитывая потери в теплотрассах их эффективность снижается еще на 10-15%.
Принципиальное отличие ВТГ состоит в том, что электроэнергия расходуется только на электронасос, прокачивающий воду, а вода выделяет дополнительную тепловую энергию.

Физический вакуум
Ситуация в отношении вихревых установок связана с известными спорами в физике. Большинство физиков говорят: мы будем брать энергию из физического вакуума. Другие отвечают: этого не может быть, потому что физический вакуум — это система с минимальной энергией и оттуда ничего взять нельзя. Отрицатели не верят, что может быть КПЕ более 100% в таких установках. Эти люди просто не до конца знают современную физику или забыли то, чему их учили в вузах. Ведь КПЕ не может быть больше 100% лишь в закрытой системе, а если система открыта и взаимодействует с окружающей средой, если энергия извлекается из воды, то КПЕ может быть сколько угодно велик. Дело в том, что физический вакуум представляет собой не замороженную систему. Она ведет себя как некая кипящая жидкость, а над ее поверхностью происходят интенсивные флюктуации. Когда подсчитали, оказалось, что энергия этих флюктуаций равна бесконечности. Дополнительная энергия из воды получается при соединении ассоциатов. Каждая молекула дает от 0,24 до 0,50 эВ энергии.

В настоящее время в России уже сложилась индустрия по производству и эксплуатации ВТГ первого поколения. Около десятка российских фирм выпускают старую модель ВТГ. Потребителю предлагаются генераторы с теплопроизводительностью от 1 до 300 кВт с электронасосом или использующие двигатель внутреннего сгорания. Причем даже генераторы первого поколения (в том числе и нелицензионные) имеют неплохие технические характеристики. При типичной температуре в 50-70°С производство 1 Гкал тепла, при стоимости электричества 50 копеек за киловатт, обходится потребителю менее 300 рублей.

Уникальность
Дискуссия по поводу "необычайных" технических характеристик новых аппаратов продолжается уже несколько лет. При этом в большинстве случаев отмечаются достоинства ВТГ первого поколения (КПЕ не менее 100%). Что это за достоинства?
1. Для получения тепловой энергии не нужно традиционного топлива (газ, нефть, уголь и т.п.), вследствие чего ВТГ являются экологически чистыми (нет выделения продуктов горения) и не требуют затрат на химическую очистку систем циркуляции горячей воды.
2. Условия работы ВТГ по сравнению с другими системами нагрева воды безопасны, т.к. вода не нагревается выше 95°С.
3. Теплогенератор устанавливается непосредственно на объекте, потребляющем тепло или горячую воду, при этом исключается необходимость в теплотрассе со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями. Не секрет, что стоимость прокладки теплотрассы в 24 раза дороже прокладки электрического кабеля.
4. При использовании теплогенераторов исключаются перерывы в горячем водоснабжении в летний период.
5. ВТГ и малая энергетика в целом не является конкурентом большой энергетике (ТЭЦ, ГЭС, АЭС). Эти 2 направления в технике развиваются в разных жизненных пространствах, взаимно дополняя друг друга. Вследствие этого возможно сотрудничество и дальнейшее развитие энергосберегающих технологий, в целом отвечающее интересам России с ее огромными территориями и все увеличивающимися потребностями в энергии.
6. Практика двух лет эксплуатации ВТГ нового поколения в Москве подтвердила, что он не требует сложного и дорогостоящего обслуживания.
7. Работа ВТГ показала, что стоимость отопления 1 м3 за год составляет всего 16,05 руб. В то же время при отоплении электрическим котлом она равна 460,37 руб., а котлом на жидком топливе — 250,80 руб.

Вихревые теплогенераторы седьмого поколения
ВТГ седьмого поколения предназначены для обеспечения автономного обогрева и снабжения горячей водой квартир, домов и индустриальных помещений. Они также могут быть использованы техническими специалистами для решения практических и исследовательских задач.
Эксплуатация генераторов производится в ручном, автоматическом и компьютерном режимах исходя из условий внешней окружающей среды. КПД вихревого теплогенератора (эффективность преобразования энергии согласно стандартам ЕЭС) составляет 220%. В процессе эксплуатации ВТГ было зафиксировано двукратное снижение потребления электроэнергии. Аппарат окупается не более чем за один отопительный сезон.

ВТГ седьмого поколения состоит из цилиндрического корпуса и ротора. Ротор вращается электромотором. Генератор оснащен накопителем энергии для эксплуатации в ночное время. Рабочая жидкость (вода) по касательной подается на вход теплогенератора. Затем вода направляется по сложной траектории и нагревается. К моменту нагревания до расчетной температуры внутри теплогенератора происходит более 500.000 циклов сжатия и расширения воды. Нагревание происходит вследствие трения молекул воды, процесса кавитации и холодного ядерного синтеза.
Система, оснащенная микропроцессором, работает в импульсном режиме и поддерживает заданный температурный режим. Различие между теплогенератором первого поколения и новым типом агрегата в том, что последний функционирует без электрического насоса, нагревая воду до 95°С за один проход воды по системе. ВТГ также позволяет вырабатывать пар.

Вихревой двигатель
Разработанный вихревой двигатель предназначен для установки на средства передвижения (автомобили, корабли, подводные лодки, самолеты, локомотивы, вертолеты, бронированную технику), а также для использования в качестве привода автономных электростанций. Двигатель работает на обыкновенном воздухе. После того как его турбина достигнет расчетных оборотов, подключается электрогенератор. Примерно 30% выходной мощности используется для собственных нужд и 70% отдается потребителю.

Как уже отмечалось, эффективность существующих двигателей низка (двигатель внутреннего сгорания в среднем имеет эффективность 40%, паровой двигатель — 12%, атомный — 34%, газотурбинный — 30%, двигатель на водородном топливе — 45%), и все типы двигателей, работающие на принципе сжигания топлива (включая сжигание водорода), представляют опасность для человечества вследствие большого расхода кислорода и вредных выбросов.

Использование катализаторов не поможет решить данную проблему. Использование водорода, например, приводит к появлению парникового эффекта, так как в процессе горения водород сжигает столько же кислорода, сколько сгорает в процессе горения бензина.
Вихревой двигатель имеет следующие характеристики. Давление на входе двигателя составляет 0,01...0,09 атм. Данный диапазон давлений определяет количество оборотов в минуту, при которых происходит отбор мощности: 960...16.700 об/мин. Потребление воздуха при этом минимально.

Вихревой двигатель практически не влияет на химическую структуру и физическое состояние воздуха в процессе эксплуатации. Отработавший воздух после турбины полностью пригоден для дыхания. Двигатель прошел лабораторные испытания в холостом режиме и с нагрузкой. Мощность двигателя составила 700 кВт. Общий вес двигателя с редуктором 80 кг (без электрогенератора).

Альтернативные источники энергии

На пороге ХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать. Человек прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов: угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнее обсуждаются вопросы использования новых, нетрадиционных, альтернативных видов энергии.

По оценкам специалистов, мировые ресурсы угля составляют 15, а по неофициальным данным — 30 трлн тонн, нефти — 300 млрд тонн, газа — 220 трлн кубометров. Разведанные запасы угля составляют 1685 млрд тонн, нефти — 137 млрд тонн, газа — 142 трлн кубометров. Почему же наблюдается тенденция к освоению альтернативных видов энергии при таких, казалось бы, внушительных цифрах, при том, что в последние годы в шельфовых зонах морей открыты огромные запасы нефти и газа? Есть несколько ответов на этот вопрос. Во-первых, непрерывный рост промышленности как основного “клиента” энергетической отрасли. Существует точка зрения, что при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти — на 35-40 лет, газа — на 50 лет. Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И в третьих — экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов.
В настоящее время выдвигается множество различных идей и предложений по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Разработка некоторых проектов еще только начинается. Так, существуют предложения по использованию энергии разложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии. Проводятся эксперименты по использованию “биоэнергетики” — например, энергии парного молока для обогрева коровников.
Но существуют и “традиционные” виды альтернативной энергии. Это энергия Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. В Солнце сосредоточено 99, 886% всей массы Cолнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235.
Солнце — неисчерпаемый источник энергии — ежесекундно дает Земле 80 тысяч миллиардов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Например, Тибет — самая близкая к Солнцу часть нашей планеты — по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня в Тибетском автономном районе Китая построено уже более 50 тыс. гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тыс. м 2, созданы гелиотеплицы общей площадью в миллион квадратных метров.

Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Компактная передвижная электростанция при собственном весе 500 кг имеет мощность 4 кВт, иначе говоря, способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородное жилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу два устройства — ветрогенератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первый оснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса) вращаются при малейшем движении воздуха, второй — автоматикой, аккуратно ориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается в аккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.
На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца, он может работать зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер — это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра — скорость и направление — меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее надежным, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из таких установок порождает искусственный сверхураган внутри себя при скорости ветра в 5 м/с.

Следует заметить, что использование источников альтернативных, возобновляемых видов энергии может достаточно эффективно снизить процент выбросов в атмосферу вредных веществ, то есть в какой-то степени решить одну из важных экологических проблем. Энергия моря может с полным основанием быть причислена к таким источникам.
Энергия малых рек также в ряде случаев может стать источником электроэнергии. Возможно, для использования этого источника необходимы специфические условия (например, речки с сильным течением), но в ряде мест, где обычное электроснабжение невыгодно, установка мини-ГЭС могла бы решить множество локальных проблем. Бесплотинные ГЭС для речек и речушек уже существуют. В комплекте с аккумулятором она обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую.
Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух берегов. Остальное — дело техники: мультипликатор вращает автомобильный генератор постоянного тока напряжением 14 В, и энергия аккумулируется.
Бесплотинная мини-ГЭС успешно зарекомендовала себя на речках и доработана до уровня опытного образца.
Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства электроэнергии. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15.000 домов печь стала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок. При этом объем закрытых свалок сокращается на 78%.

Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55% которого приходится на метан, а 45-50% — на углекислый газ и около одного процента — на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь его начинают использовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. Поэтому стоит задуматься над проблемой вторичного использования мусора. При наличии эффективной технологии можно сократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии.
Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? С загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств связано много проблем. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их старению.
Известно, что теплоцентрали — активные загрязнители окружающей среды, свинофермы и коровники — тоже. В то же время разработана технология переработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы — для удобрения. Перерабатывая ежедневно 70 тонн навоза, можно получить 40 кВт энергии.
Кроме замены традиционных источников энергии альтернативными, существуют проекты по созданию экологически чистых и сбалансированных городов и деревень будущего. Основой для их создания будет служить применение экономичных материалов, а также оптимальный режим использования энергии, который смогут поддерживать с помощью компьютерных программ.
Тепловые насосы и узел нагрева воды вмонтированы в дом на заводе-изготовителе. Принцип экономного вторичного обогрева таков: из использованного воздуха ванной комнаты, кухни и подсобок тепловая энергия возвращается в систему отопления традиционного типа и утилизируется водогрейным котлом. Дополнительные калории от внешних источников газа или жидкого топлива отбираются для этих целей лишь по мере необходимости. Особые клапаны в наружных стенах, снабженные противопылевым фильтром и входящие в комплект установки, обеспечивают подвод чистого воздуха и равномерную безвытяжную смену его в доме. Это достижение компьютерной теплотехники предназначено прежде всего для односемейных домов, например, для загородных коттеджей, и наполовину сокращает обычный расход энергии.

Чтобы оптимально использовать солнечный свет, “умные” дома сами станут регулировать внутреннюю температуру. Это позволяет как новая технология, так и сами материалы — каркас из алюминия и поликарбоната с огромными застекленными поверхностями, где циркулирует прозрачная жидкость. Получится своеобразный щит, впускающий солнечный свет, но удерживающий тепло. Температура зимой и летом будет одинаковая — 20°-22°. Избыток энергии поступит в термический теплонакопитель. Электроэнергию станут вырабатывать также ветряные мельницы и солнечные батареи, избыток ее, опять же, сберегут огромные аккумуляторы. Биоочистная установка превратит органические отходы — мусор и сточные воды — в метан, преобразуемый затем в электричество. Структура здания гарантирует сохранность свыше 85% энергии. На гигантской биоферме можно выращивать продукты сельского хозяйства.
Однако такие проекты пока невозможно реализовать в значительных масштабах. До серийного производства “умных” экологически чистых домов еще далеко, но уже сейчас реализация некоторых проектов (постройка мини-ГЭС, солнечных, ветровых, мусорных электростанций) вполне реальна. Ведь очень важно, будут ли использоваться традиционные ресурсы в таком объеме, как сейчас, или люди перейдут на источники, возобновляемые самой природой.