XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Одной из проблем стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. На сегодняшний день основными источниками энергии являются газ, уголь и нефть. При современном уровне добычи разведанных запасов угля хватит 400 лет, нефти на 42 года, газа на 61 год. Поэтому, человечеству нужно искать принципиально новые способы получения энергии на первый план и в ближайшей перспективе должна снижаться роль нефти, газа и угля. Всё большую популярность в мире приобретают альтернативные источники энергии. К таким источникам можно отнести: солнечную энергию, энергию ветра, энергию приливов, глубинное тепло Земли, топливо из биомассы.

Созданием топлива из биомасс активно занимаются практически во всем мире и даже есть страны, которые уже перешли на этот вид топлива в определенной мере. Уже сейчас можно увидеть основные преимущества биодизельного топлива:

- оно дешевле нефтепродуктов;

- может использоваться как в чистом виде, так и в смеси с привычным топливом;

- не имеет неприятного запаха и т.д.

Кроме того, к альтернативным источникам энергии также относят и атомную энергетику. Атомная энергетика является передовым видом энергии. Работа АЭС почти не вредит окружающей среде — их выбросы нулевые. Но до сих пор не решена проблема захоронения отходов атомных электростанций.

В данный момент наше будущее в наших руках и от нас зависит, сможем ли мы изменить данную ситуацию в лучшую сторону.

Солнечная энергия.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Хоть многие из нас этого и не подозревают, но способ получения электроэнергии из солнечного света известен человечеству уже более ста лет. 
Отцом солнечных батарей является Александр Эдмонд Беккерель. Именно он открыл базовый принцип – фотогальванический эффект в 1839г. Он начал экспериментировать с электролитическими ячейками, генерирующими электричество под воздействием солнечного света. Беккерелю было всего 19 лет, когда он создал на базе хлорида серебра и кислотного раствора ячейку, генерирующую электроэнергию под воздействием солнечных лучей. Появление в начале50-х годов солнечных элементов, разработанных в лаборатории Белла, произвело революцию в электронной промышленности. Космическая индустрия была бы без них практически беспомощна. Кроме того, солнечная энергия может использоваться в солнечных домах.

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по нескольким признакам: 
- по виду преобразования солнечной в другие виды энергии, т.е. в теплоту или электричество 
- по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов 
- по технической сложности – простые и сложные.

Солнечная батарея — это набор модулей, воспринимающих и преобразующих солнечную энергию, в том числе и тепловых. Солнечные батареи способны генерировать электрическую энергию постоянно или аккумулировать ее для дальнейшего использования.  Впервые фотоэлектрические батареи были применены в на космических спутниках.

Один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт  энергии. Это примерно соответствует мощности работы 1 миллиона электрических ламп.

Рисунок 1.Солнечная батарея установленная на крыше дома

Рисунок 2. Получение солнечной энергии в большом количестве на хорошо освещаемых территориях с помощью солнечных батарей

Ветровая энергия

Впервые энергия ветра была использована, по-видимому, для передвижения парусных судов, а позднее — для подъема воды и размола зерна. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностямитехнического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжностипроизводства электроэнергии. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта.

Несмотря на несколько большие капитальные вложения ветроустановки экономичнее тепловых установок вследствие низкой эксплуатации расходов. Развитие ветроэнергетики путем строительства ВЭС зависит оттого, как быстро удастся снизить стоимость и металлоемкость двигателей, повысить их надежность. Для этого применяются железобетонные опоры, неметаллические лопасти, легированная сталь и легкие сплавы. Чтобы ВЭС стали выгоднее конкурирующих установок капиталовложения в их строительство нужно снизить на 25-30%.

Электрические ветроустановки малой мощности, наряду с зарядкой аккумуляторов, могут питать энергией маяки и бакены, защищать от коррозии газа — и нефтепроводы. Автономные ВЭС, работающие изолированно, могут использоваться ограниченно и только для питания энергией водоподъемных и мелиоративных установок.

Установки защищают от замерзания в зимнее время поверхности водоемов, используемых для скота. Существуют также районы, где более эффективны ветровые электростанции (пустыни, полупустыни, засушливые зоны).

Рисунок 3. LondonArray на берегу моря

Рисунок 4. Ветряные установки в поле

Биотопливо

Этот тип энергии имеет большие преимущества перед другими типами, поскольку он относительно дешев и практически безвреден для окружающей среды.Естественно, что это не могло остаться незамеченным и многие страны уже активно занимаются исследованиями в этой области.В связи с постоянным увеличением цен на нефть Кипр все чаще обсуждает возможность использования биодизеля или других видов топлива, полученных из биомассы, в качестве альтернативы нефти. Уже к концу 2005г. был подготовлен план поставок такого топлива и частичный перевод на него автомобилей с дизельным двигателем. Его станут получать из кукурузы, сои, хлопка, жмыха, остающегося после отжима масла из оливок.

Токийский технологический институт недавно запатентовал метод конверсии растительного масла в биодизельное топливо с использованием катализаторов, которые в десять раз дешевле, чем те, которые используются сегодня. Любое растительное масло может служить автомобильным топливом, но для этого его жирные кислоты должны быть превращены в сложные эфиры. До сих пор необходимые катализаторы остались очень дорогими.

Все больше и больше американцев предпочитают следовать примеру этих учеников. Малые компании уже продают конверсионные комплекты стоимостью около 800 долларов США, что позволяет автомобилям с дизельным двигателем заполнять обычным растительным маслом. Многие американцы согласны с соседними кафе или ресторанами и забирают отработанное масло.Во многих ресторанах использованное масло охотно отдают бесплатно, считая этот «симбиоз» весьма выгодным. Правда необходимо лишь изредка заправляться стандартным дизтопливом.

В Белгородской области весной 2005 года прошли первые испытания тепловоза с дизельным двигателем, адаптированным и работающим на рапсовом масле. Уже в 2006 году все тепловозы, назначенные на местную железную дорогу, ожидают перехода на топливо из рапса.

Высокие надежды за рубежом связаны с получением энергии из биомассы, содержащей различные сахара, путем ферментации ее для производства алкоголя. Бразилия разработала национальную программу по использованию этанола, полученного из сахарного тростника, чтобы заменить почти четверть потребляемого в стране бензина. Уже сегодня около 10% проданного там бензина содержит 10% этанольной добавки, что значительно снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

В США также реализуется крупномасштабная программа замены бензина этанолом, полученная путем переработки излишков кукурузы и других культур. Так называемый бензохол (смесь бензина с этанолом) уже составляет около 10% рынка топлива в стране. Более того, как заключили американские эксперты, если алкоголь не добавляется к бензину более чем на 8%, тогда нет необходимости даже переконфигурировать карбюраторы или инжекторы.

Использование алкоголя в качестве топлива в транспорте широко распространилось во Франции и Швеции.

Рисунок 5. Получение биотоплива из кукурузы

Рисунок 6. Цистерны с биотопливом

Рисунок 7. Получение биотоплива из растительных отходов

Таким образом, дебаты о том, что является более опасным и что более выгодно в производстве электроэнергии, еще не завершены. Человечество постоянно совершенствует способы получения необходимой энергии, в том числе электроэнергии. Но будет ли у этого и другого нового пути будущее, и насколько это безопасно для людей и природы? Несмотря на внешнюю привлекательность «нетрадиционных» видов производства электроэнергии, у них есть ряд недостатков. С их помощью, хотя на современном уровне развития технологий и экономики невозможно получить столько электроэнергии, сколько тепловой, гидро- или ядерной энергии. Существуют и другие недостатки альтернативных источников энергии. Например, в мире есть несколько электростанций, которые используют энергию приливов в океанах и морях. Казалось бы, то, что может быть лучше, - это почти безотходный метод получения энергии, почти вечный двигатель. Но оказывается, что, если таких станций построить много, они могут значительно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Ущерб от такого вмешательства в природе может быть совершенно непредсказуемым и косвенным.Солнечные электростанции, а также ветровые и геотермальные объекты могут быть построены далеко не везде. А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к ослаблению ветров, которые ранее выдували смога и вредные отходы, выброшенные в окружающую среду фабриками и заводами с территории городов.

Сейчас экология этих поселений заметно ухудшилась. Их главным недостатком сегодня является высокая стоимость, в большой потребности в количестве материалов и на очень обширной территории, которые также не могут быть найдены повсюду. Солнечные станции строятся на крышах домов и в космосе, на орбитальных станциях. В то же время, используя самые современные солнечные панели. Но, к сожалению, они еще не могут заменить традиционные формы производства электроэнергии в нужном количестве.При этом существенным препятствием на пути широкого распространения НИЭ являются значительные начальные капиталовложения, несмотря на то, что они окупаются впоследствии за счет низких эксплуатационных затрат. Кроме того, производители традиционных источников энергии совершенно не заинтересованы в развитии НИЭ. И хотя они проявляют большой интерес к новым технологиям и финансируют научно-исследовательские программы в этой области, они, тем не менее, не торопятся внедрять их в массовое производство.

Список используемой литературы

1. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: учебник. - М.: Мир, 1988. - 197С.

2. Пустовалова Л.М. Общая химия: учебник/ Л.М. Пустовалова, И.Е. Никанорова. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2005. - 478С.

3. СюнрокуТанака Жилые дома с автономным теплохладоснабжением: учебное пособие / ТанакаСюнроку, Суда Рейдзи. - М.: Стройиздат, 1989. - 225С.

4. Шефтер И.Я. Использование энергии ветра: учебное пособие. - М.: Энергия, 1975. - 247С.

5. Поедем на биотопливе // Экология и жизнь. - 2006. - 5 (54). - С.63

6. Хлопоты вокруг выхлопов // Экология и жизнь. - 2006. - 2 (51). - С.49