Количество добываемых ископаемых для производства энергоресурсов неуклонно растёт и недалёк тот день, когда они иссякнут. При их переработке в тепло и электричество загрязнение окружающей среды происходит всё интенсивнее, несмотря на внедрение экологических мероприятий. На этом фоне развитие известных и поиск новых альтернативных источников энергии может стать выходом из создавшейся ситуации.
Невосполняемые ресурсы
С давних пор для обогрева и освещения жилья человек использует невосполняемые ресурсы.
Сначала это были разные виды угля, а с развитием геологии и открытием месторождений появились технологии, позволяющие применять для этого нефтяные и газовые ресурсы.
Поначалу никто не задумывался об их количестве и запасах. Но с ростом промышленного производства и увеличением потребления в быту эти резервы сильно истощились, а разведка и добыча их в труднодоступных местностях себя очень часто не окупает. Уже сейчас расходы среднестатистической семьи наполовину составляют траты на отопление, освещение и заправку автомобиля. В дальнейшем эта сумма будет только увеличиваться.
В современных условиях человечество пытается осуществить превращение в энергию любых явлений природы, будь то движения воды или ветра, солнечный свет или тепло земли. Многие государства разрабатывают соответствующие законы, регламентирующие их использование в целях предотвращения конфликтов на приграничных территориях.
Источники альтернативной энергетики
Количество наиболее значимых видов альтернативной энергии повторяет число земных стихий — огонь, вода, земля и воздух. Именно их человек пытается использовать для замены традиционных ресурсов в тепловой и электроэнергетике. Поиском новых, более эффективных и наименее затратных методов заняты учёные и инженеры многих стран.
Солнечная активность
Трансформация энергии, выделяемой светилом в тепло и электричество для бытовых и промышленных нужд является самым первым энергоресурсом, который начали исследовать. Его использование связано с физическими свойствами солнечного света и полупроводников для получения электрической энергии.
Для её выработки существуют специальные электростанции, укомплектованные большим количеством кремниевых солнечных панелей. Производство тепла из энергии солнца основано на законах термодинамики жидких и газообразных веществ. Для этого монтируются станции, состоящие из коллекторов, которые генерируют тепло.
Работа солнечной панели основана на явлении фотоэффекта. Модификаций таких батарей сейчас достаточно много и работы по их модернизации не прекращаются.
Есть умельцы, использующие такой способ для питания энергией дома. Источником служат солнечные батареи, установленные чаще всего на крыше. Для этого необходимо купить специальные элементы, состоящие из однокристальных и многокристальных фоточастиц, так как сделать их самостоятельно нельзя.
Срок службы моночастиц меньше, но коэффициент полезного действия выше — примерно тринадцать процентов. Поликристаллические имеют долгий срок применения с КПД менее девяти процентов, но могут работать даже в пасмурную погоду, в отличие от монокристаллических.
Для самостоятельного изготовления солнечной батареи нужно:
- Сделать прозрачный корпус из органики или другого материала.
- Изготовить прочный каркас.
- Подойдёт любой металл или дерево.
- Собрать фотоэлементы в схему и разместить в корпусе.
Обращаться с кристаллами нужно очень аккуратно из-за их хрупкости. Полностью смонтировать установку. Электроэнергия, полученная таким способом, расходуется на хозяйственно-бытовые нужды.
Преимущества использования солнечной энергии:
- Солнечная энергия бесконечна.
- Производство электричества в такой установке бесшумно.
- Оборудование имеет невысокую цену и частично может быть изготовлено самостоятельно.
- Не требует вмешательства человека.
Безусловно, есть и определенные минусы, к которым можно отнести следующие:
- Сами кристаллы и работы по подключению дороги.
- Несущественные токсические выбросы при работе.
- Высокая стоимость устройств для хранения электроэнергии.
- Маленький КПД требует использования большого числу батарей для полноценного электроснабжения объекта.
Ветровые потоки
Такой способ сохранения ресурсов основан на превращении движущей силы воздушного потока в электроэнергию. Для этого придумали ветряные электростанции. Эти установки можно устанавливать на любой точке опоры: на земле, на море, в горах. Был бы ветер. Их главной частью являются генераторы разных модификаций (горизонтальных, вертикальных). Ветряки с расположением оси по горизонтали занимают большую площадь чем вертикальные. Все они имеют разную мощность, оснащены различным типом и числом лопаток, но призваны выполнять одну функцию — добывать дешёвое электричество.
В работе гидрогенератора нет ничего сложного. Вращение лопастей происходит за счёт порывов ветра и через трансмиссионный блок поступают на генератор переменного тока. Оба этих устройства помещают в поворотную гондолу на определённой высоте. Её перемещение по плоскости зависит от направления ветра. С помощью повышающего трансформатора и устройств автоматики электроэнергия вливается в единую энергосистему.
Достоинства ветряных электростанций заключаются в следующем:
- Они не производят вредных выбросов и отходов.
- Полностью автономны.
- Энергия ветра практически бесконечна.
К недостаткам можно отнести:
- Требуют непрекращающегося воздушного потока.
- Оборудование для станций стоит дорого.
- Из-за высокого уровня шума и электромагнитного поля требуют размещения в удалённых местностях.
- Большая занимаемая территория.
Сила воды
С исследований этой природной структуры начала развиваться целая отрасль — гидроэнергетика. Она также преобразует течение воды в электрическую энергию на гидроэлектростанциях. Например, в России большинство крупных рек перегорожены несколькими ГЭС.
Основой их тоже является генератор с лопастями, который приводится в движение течением реки. Затем с него при помощи преобразователей снимается электричество. Это один из самых дешёвых видов энергии, но он также имеет свои недостатки:
- Затапливаются прибрежные территории.
- Уменьшается популяция речных обитателей.
- Вокруг таких сооружений стоит постоянный гул.
За последние годы ученые смогли получать энергоресурсы из движения морской воды во время приливов и отливов. На участках береговой полосы, где наиболее ярко выражено это явление, строят приливные электростанции. Принцип работы такой станции состоит в следующем: впускные отверстия при начале прилива открываются и вращают вал генератора. Через шесть часов они закрываются, открывая выходные, и происходит обратный процесс.
Достоинства, присущие таким объектам, заключаются в следующем:
- Дешевизна эксплуатации.
- Подобные станции привлекают туристов, что выгодно в отношении финансов.
К недостаткам принято относить:
- Строительство таких сооружений очень затратно.
- Неблагоприятное воздействие на морскую фауну.
- Ошибочное проектирование может спровоцировать подтопление окружающей местности.
Существует ещё один широкомасштабный проект по перекрытию крупных проливов гидростанциями наподобие ветряных. Однако из-за дороговизны, а также сложностей с технической и политической сторон дальше бумажных чертежей такие планы не распространяются.
Естественное тепло земли
Использование этого вида альтернативной электроэнергетики началось относительно недавно. Геотермальные установки применяются в местах выхода на поверхность подобных источников и в районах с высокой тепловой активностью. Примером такой местности в России может служить Камчатка с её многочисленными гейзерам.
Эта энергия вырабатывается с помощью специальных насосов, дающих возможность использовать тепло недр для отопления и освещения объектов инфраструктуры. Термопомпы имеют разную мощность и конструкцию. Определяющим в способе постройки насоса является первоисточник теплоэнергии, поэтому существуют такие виды установок: грунт — вода и вода — вода, воздух — вода и грунт — воздух, вода — воздух и воздух — воздух, фреон — вода и фреон — воздух.
Биологическое топливо
Всё биотопливо создаётся на основе природных органических материалов. В зависимости от агрегатного состояния оно может быть:
- Твёрдым (топливные древесные брикеты и пеллеты).
- Жидким (биодизель, биоэтанол и прочие виды).
- Газообразным (биогаз и биоводород).
Биологический газ получается в результате переработки органического сырья или побочных продуктов производства. Он состоит из смеси, в состав которой входят метан, сероводород и углекислота.
Основными деталями такой установки являются:
- Ёмкость герметичной конструкции.
- Для смешивания содержимого нужна мешалка или шнековое устройство.
- Подающий коллектор для сырья и воды.
- Газоотвод для выработанного биогаза.
- Трубопровод для удаления отработанного мусора.
Очень часто это оборудование находится под землёй в герметичном бункере. Для предотвращения разрушения контроль внутреннего давления должен быть постоянным, откачка газа своевременной. Побочным продуктом является удобрение для почвы, применение которого благотворно сказывается на урожае.
Использование таких установок связано с повышенной взрывоопасностью из-за получаемых газообразных продуктов. К тому же биогаз опасен для человека при вдыхании.
Продукты производства с применением биотехнологий широко используются для отопления частных и промышленных помещений, заменяют природный газ на кухне, могут применяться в качества топлива на ТЭЦ. Это возобновляемый и доступный природный ресурс.
Недостатками этого метода являются:
- Токсичность продукты сгорания.
- Высокая стоимость установки для получения биогаза.
Новаторские идеи
Сколько существует в мире природных явлений и живых организмов, столько можно придумать нетрадиционных источников электроэнергии. В полном смысле живым примером является использование такой водоросли, как хлорелла. Основное своё применение она нашла в качестве источника белка для морских обитателей.
Сейчас космонавты берут её с собой в космос для экспериментов по выращиванию в условиях невесомости и в качестве источника кислорода.
Первоочередной задачей ближайшего будущего является изобретение способа сохранения и накопления солнечной энергии в клетках водоросли в промышленных масштабах. Живая клетка в процессе фотосинтеза сама по себе вырабатывает кислород, поглощая углекислый газ. Именно эксперименты по переводу этого процесса в энергетическую плоскость и являются заданием номер один в настоящий момент. На многих площадях, пригодных для выращивания таких культур, идут подобные эксперименты.
Ещё одним кладезем для нетрадиционной энергетики являются электрические явления в атмосфере. На всех зданиях устанавливаются молниеотводы для предотвращения разрушительного воздействия молний. Трудности в покорении этой стихии состоят в огромной силе тока и напряжения в момент вспышки. Это требует создания мощных систем защиты и аккумуляции энергии этого атмосферного явления. Также известны попытки использования статического напряжения атмосферы.
Несмотря на все сложности, возникающие при исследовании и практическом применении, внедрение альтернативных технологий не стоит на месте. Находятся способы удешевления установок и преобразователей, испытываются новые методики сбора и сохранения энергии. С каждым годом доля электроэнергии, полученной из возобновляемого сырья становится больше.
