Электричество в наше время является одним из основных ресурсов. Без него люди могут лишиться множества возможностей. Заводы перестанут производить сырьё и продукты питания, в домах и квартирах пропадет система отопления и подача воды, перестанут работать гаджеты. Примеров использования электричества в наше время множество, поэтому поднимаю тему о получении электрической энергии возобновляемыми источниками.
Возобновляемые источники энергии
Возобновляемая и не возобновляемая энергия
Невозобновляемая энергия – это электричество, полученное из невозобновляемых источников энергетических ресурсов. К ним можно отнести: газ, уголь, нефть, уран.
Возобновляемый источник электричества (ВИЭ) – это, наоборот, энергия, получаемая из пополняемых источников. К ним можно отнести ветер, течении воды, Солнце и биотопливо.
Возобновляемые ресурсы окружают нас повсюду и из ни можно использовать полезно для выработки энергии. Как же нам получить из этого электричество? Об этом будет рассказано ниже, поэтому запасаемся чаем и читаем внимательно.
Энергия ветра
Бывает, когда делаешь хорошую прическу, красиво наряжаешься, а выйдя на улицу вам все портит неприятный ветер, после задумываешься о потраченном на все это времени. А летом, когда печет Солнце, ищешь ветерок для охлаждения своего тела. В эти моменты мы не задумываемся о том, что это явление природы может быть нам полезно для выработки электричества.
Все мы знаем о парусных кораблях, ветер попадает в парус и путем импульса заставляет двигаться судно. Таким способом и добывается электроэнергия. Воздушная масса попадает на лопасти ветрогенератора, тем самым заставляя ротор вращаться.
Ветрогенератор
Разберем работу установки более подробно. Ветер попадает в лопасти, начинает вращаться ротор, тем самым приводя в движение весь механизм, включая вал генератора. Механическая энергия вращения превращается в электричество.
Электрический ток проходит путь от генератора до потребителей. Рассмотрим подробно этот путь по каждому из компонентов.
- Генерируемый ветрогенератором электрический ток поступает к контроллеру. В контроллере происходит преобразование энергии в постоянный электрический ток, необходимый для подзарядки аккумуляторов. Ещё одной его функцией является регулировка оборотов ротора.
- Ветер – не постоянное явление. Поэтому иногда энергии не хватает для обеспечения нужд потребителей. Поэтому система имеет в комплекте аккумуляторы для запаса энергии. Пройдя контроллер энергия поступает в батареи, где она и накапливается.
- Далее, энергия проходит через инвертор. Постоянный ток с напряжением 12В преобразуется в переменный ток с напряжением 220В, и частотой 50 Герц.
Взаимодействие ветра с лопастями
Так как воздух имеет массу, движение воздуха имеет кинетическую энергию. Когда на пути ветра, дующего в определенном направлении, появляется предмет или любое другое сопротивление, их взаимодействие можно описать с помощью векторов силы. Ветер отталкивает препятствие и отталкиваться сам в противоположенном направлении. Лопасти, закрепленные на оси ветрогенератора, будут вращаться вокруг оси вращения. Графически это выглядит следующим образом:
Мощность и скорость ветра
Если номинальная мощность ветрогенератора составляет, например, 800 Вт при скорости ветра 8 м/с, то это не значит, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт. Значение мгновенной мощности ветрового потока, воздействующего на лопасти генератора, пропорционально скорости ветра, возведенной в куб (третья степень). На практике это означает следующее:
если скорость ветра падает в 2 раза, то мощность, генерируемая ветроустановкой, снижается примерно в 8 раз.
Энергия водных потоков
Разобрав производство электричества из воздушных потоков, переходим к водным. Станция по генерации энергии из воды называется – гидроэлектростанция (ГЭС). Принцип её работы схож с тепловой электростанцией, только здесь ротор турбины вращает не пар, а вода. Рассмотрим данный процесс поближе:
- Все ГЭС расположены на воде. Строится плотина, которая предназначена для поднятия уровня реки и увеличения перепада высот уровней воды. При этом имеется возможность регулировать поток воды поступающей на гидротурбину ГЭС. Это обеспечивает электростанциям данного вида необходимую маневренность при регулировании отпуска электрической энергии.
- Поток воды попадает на гидротурбину заставляя её вращаться. Энергия потока падающей воды преобразуется в в механическую энергию вращения ротора генератора.
- Генератор, подключенный к турбине через валы и шестерни, преобразует механическую энергию в электрическую.
- Произведенное электричество проходит через линию передач, построенную от ГЭС до потребителей, и используется на различные нужды.
Мощность ГЭС
Можно разделить гидроэлектростанции по их вырабатываемой мощности:
- Высокой мощности – выработка более 25 МВт.
- Средние – до 25 МВт.
- Малые – до 5 МВт.
Мощность ГЭС зависит от мощности потока воды и КПД гидротурбин и генератора. Даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Поэтому уровень воды имеет решающее значение.
Обратите внимание! Уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться из-за естественных природных явлений, производимая энергия не является постоянной.
Влияние на экологию
Гидростанции влияют на изменения микроклимата, что сказывается на экосистеме. Это происходит из-за затопления территории при строительстве дамбы. При этом повышается испарение воды воды с поверхности водохранилища. Все это приводит к изменению микроклимата в регионе. Из-за застаивания воды происходит существенное ее нагревание и понижение качества. Содержание растворенного кислорода в воде начинает падать. В связи с этим дно водоема зарастает водорослями. Водоемы загрязняются разлагающимися органическими отходами (листьями, ветвями деревьев и т.д.) из-за отсутствия водообмена. Все это сопровождается ухудшением условий жизни, повышением заболеваемости рыбы.
Виды ГЭС
Плотинная
На реке со спокойным течением строится плотина, перегораживающая ее русло. Располагаемая мощность гидроэлектростанции зависит от высоты плотины. Внутри постройки строятся вертикальные или наклонные каналы, которые направляют воду к гидротурбине.
Деривационная
На реках с интенсивным потоком воды, создают отводы в виде закрытых или открытых тоннелей под нужным наклоном, корректирующие давление воды. Благодаря чему вода попадает на станцию с нужной скоростью потока.
Приливная
Принцип работы гидроэлектростанции приливного типа не отличается от плотинной. Только вместо русла реки перегораживают прибрежный участок морского бассейна с высоким уровнем прилива, во время которого вода накапливается в водохранилище.
Аккумуляторная
ГАЭС отличается от обычной ГЭС наличием бассейна перед водозабором напорного канала. Из этого резервуара вода подается как на турбину, так и может подаваться в обратном направлении. На таких станциях устанавливаются обратимые двигатели. Их ротор может вращаться в обратном направлении. При этом он будет потреблять электроэнергию, а не вырабатывать.
Энергия Солнца
Солнечная энергетика – перспективное направление в развитии альтернативных источников энергии.
Солнечная панель
Генерация электричества из энергии Солнца осуществляется при помощи солнечной батареи. Прибор состоит из фотоэлектрических ячеек, запакованных в одну рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния. Лучи, попадающие на отрицательно заряженную панель – нагревают полупроводник, который частично поглощает их энергию. Такой приток энергии в полупроводнике освобождает отрицательно заряженные частицы – электроны.
Полученной энергии достаточно, чтобы оторвать электроны от атомов. В результате на их месте остаются “дырки”, а электроны начинают свободно перемещаться по кристаллической решётке. Под воздействием электрического поля происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Появляется разность потенциалов или постоянное напряжение. Свободные электроны двигаются в определенном направлении. Поток свободных электронов образует электричество.
Через металлические контакты и по линиям электропередач электрический ток направляется к потребителям.
Обратите внимание! Чтобы уменьшить потери от отражения света, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Для защиты установки от дождя и ветра покрывают стеклом.
Виды солнечных панелей
Основным блоком солнечного модуля является тончайшая пластина из двух кремниевых слоев. Каждый слой обладает уникальными физическими характеристиками. Технология изготовления делит фотоэлементы для альтернативных электростанций на:
- Монокристаллические модули.
- Поликристаллические блоки.
Монокристаллическая панель
Для такой батареи выращивается специальный монокристалл кремния по способу Чохральского. Монокристаллические модули стоят дороже поликристаллических и имеют более высокий КПД достигающий 20-22%. Это происходит за счет того, что лучи солнца не рассеиваются, а равномерно распределяются по поверхности.
Поликристаллическая панель
Поликристаллические солнечные батареи являются оптимальным вариантом для потребления энергии Солнца. Они дешевле монокристаллических, так как изготавливаются из обрезков от производства своих аналогов.
По внешнему виду отличительной чертой от монокристаллических батарей является голубой и свето-синий цвет.
Чистота кремния в поликристалле ниже, чем в монокристалле, КПД достигает 15-18%.
Биотопливо
Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Его получают из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов, термохимическим или биологическим способом.
Виды биотоплива и его использование
Биотопливо можно поделить на 3 вида:
- Твёрдое.
- Жидкое.
- Газообразное.
Твёрдое биотопливо
Твердым биотопливом пользовались люди раньше, но и сейчас оно имеет место быть. Есть среди нас любители шашлыков на природе или бани на дровах, возможно, вы входите в их число. К таком виду топлива относится: древесина, кора, опилки и так далее.
Жидкое биотопливо
Существует множество видов жидкого биотоплива, рассмотрим некоторые из них:
- Биоэтанол — его получают путем ферментации крахмала или сахара.
- Биодизель — делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма.
- Биобутанол — производится аналогично биоэтанолу.
Газообразное биотопливо.
- Биогаз — смесь метана и углекислого газа, которая создается во время анаэробного сбраживания.
- Биоводород — аналог обычного водорода, получаемый из биомассы. Термохимический способ получения заключается в нагреве сырья без доступа к кислороду до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород.
Биотопливо может использоваться для обогрева помещений (брикеты, пиллеты, биогаз), как горючее для автомобильных двигателей (биодизель), или как другой вид топлива.
Альтернативная энергетика в мире и России
ВИЭ в России
Россия является одним из мировых лидеров в использовании электроэнергии от возобновляемых источников, но только в области гидроэнергетики. Все остальные направления развиты недостаточно, хотя страна обладает значительным природным потенциалом.
В 2019 году Правительство РФ приняло решение стимулировать развитие солнечной и ветровой энергетики, доведя ее долю до 1% (5 гВт) общей выработке.
ВИЭ в мире
Лидером в развитии ВИЭ в странах долгое время является Китай. Он вкладывает в солнечную, ветряную и гидроэнергетику больше, чем европейские страны, а также США.
Альтернативная энергетика, виды и страны-лидеры в её развитии:
- Гидроэнергетика – Китай, Бразилия, США, Канада, Россия, Индия, Норвегия, Турция, Япония и Франция.
- Ветровая – Китай, США, Германия.
- Солнечная – Китай, Япония, США, Германия.
- Биоэнергетика – Бразилия, Китай, США, Индия, Германия.
Плюсы и минусы использования возобновляемых источников энергии
Плюсы:
- Данные ресурсы имею свойство восстанавливаться. Когда закончатся невосстанавливаемые ресурсы, этот источник электричества всё ещё будет существовать.
- Генерация электроэнергии за счет возобновляемых источников возможно без выбросов вредных веществ в окружающую среду.
- Для производства электроэнергии не нужно обладать нефтяными или газовыми ресурсами. Ведь Солнце, ветер, вода и биотопливо есть во всех местах. Единственное, не во всех регионах получится получать энергию всеми доступными возобновляемыми источниками.
Минусы:
- Сооружения и оборудования имеют высокие затраты на обслуживании и строительстве. Поэтому не всегда такой способ оправдан экономически.
- Зависимость от природных факторов. Человеку не подвластно контролировать уровень приливов воды, силу ветра. Так же уровень переработки солнечной энергии зависит от географии страны
- Данный этап развития показывает низкий КПД и низкую мощность установок, разве что ГЭС отличается в этом плане.
- Все же, каким бы экологичным ВИЭ не был, использование возобновляемых источников энергии влияет на климат. Биотопливо приводит к сокращению растительных площадей, а ГЭС влияет на подводных жителей.
Заключение.
ВИЭ – это будущее нашей жизни, как бы эффективны станции ТЭЦ, АЭС не были, ресурсы для них исчерпаемы. Поэтому способы добычи энергии альтернативными источниками имеют актуальную тему на сегодняшний день. Надеюсь вам, читатель, было интересно узнать про такие методы, возможно, вы заинтересуетесь после данной статьи создать свою ветряную мельницу или солнечную панель.
Актуальная тема в наше то нелёгкое время!