Синєглазов В.М., Зеленков О.А.,
Соченко П.С.
ВІДНОВЛЮВАЛЬНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ
Київ НАУ 2008
« Якби на розвиток альтернативних джерел енергії було витрачено лише 15% тих засобів, що витрачені на розвиток атомної енергетики, то АЕС для виробництва електроенергії взагалі були б непотрібні ».
Академік Ж.І. Алфьоров.
« Кожний промінь сонця, який не спійманий або безслідно віддзеркалений назад у світловий простір – це шматок хліба, який вирваний із рота віддаленого нащадка »
К. А. Тімірязєв.
« Тільки наше незнання заставляє нас використовувати паливо, що добувається»
К. Б. Ціолковський.
ВСТУП
Відновлювальні джерела енергії, до яких відноситься вітер та сонячне випромінювання знаходять все більш широке застосування в сучасному світі, оскільки цей напрямок рішає одночасно проблеми енергетики і екології. В даній монографії приділена велика увага особливостям комплексного використання енергії малопотужних вітрів та сонячного випромінювання. Велика увага приділяється питанням концентрації енергії вітрів, конструкціям вертикально-вісевих вітроенергетичних установок, способам перетворення вітрової енергії в електричну, питанням акумулювання отриманої електричної енергії.
Пропонується ефективний спосіб комплексного використання енергії малопотужних вітрів, сонячного випромінювання та акумулювання отриманої електричної енергії з метою безперервного забезпечення споживача електроенергією при умовах часткової відсутності вітру та сонячного випромінювання.
Для створення широкої сітки мережі малопотужних комплексів, які містять джерела енергії малопотужних вітрів та сонячного випромінювання, пропонується використання мікроконтролерів, які здатні забезпечити високу ступінь автоматизації роботи таких комплексів, дистанційне їх управління та безперервний контроль їх роботи. Це забезпечить можливість високої ефективності використання відновлювальних джерел енергії.
Запропоновані напрямки розвитку відновлювальних джерел енергії одночасно успішно вирішують три глобальні та актуальні проблеми:
1. Екологічна безпека людства. Глобальне потепління на планеті в першу чергу пов’язане з загазованістю повітря і обумовлює великі епідемії захворювань людей.
2. Енергозабезпечення економіки та побутових проблем проживання людства.
3. Значне збільшення робочих місць, які пов’язані з передовими технологіями і потребують робітників високої кваліфікації.
Відповідно до розрахунків Програми ООН відносно навколишнього середовища, глобальні інвестиції в енергетику з нульовим парниковим ефектом досягнуть до 2020р. 1,9 трл. доларів. Майже 2 млн. людей у всьому світі зайняті у нових вітро- та сонячноенергетичних галузях. В Німеччині в найближчі роки очікується чотирьохкратне збільшення інвестицій в екологічні технології і до 2030р. на них прийдеться 16% випускаємої продукції, а робочих буде зайнято більше ніж в автомобільній промисловості.
В створені цієї книги велику участь приймали аспіранти та студенти нашого інституту електроніки та систем управління.
Автори виражають велику подяку доценту Зубченку Олександру Миколайовичу, аспіранту Сидоренко Костянтину Миколайовичу та студенту Луценко В’ячеславу Анатольовичу за їх активну участь та ініціативу в процесі роботи над створенням запропонованої книги.
I. Проблеми сучасної енергетики
1.1. Аналіз запасів вуглеводородних палив та проблеми їх використання.
Величезні запаси палива в надрах нашої планети з’явилися завдяки існуванню давно благодатних геологічних епох, на протязі яких на поверхні землі проходив бурхливий розвиток флори і фауни. Якраз в той період розвитку землі органічний синтез на її поверхні проходив в гігантських розмірах. Він створив природні запаси кам’яного вугілля, нафти, газу. На протязі багатьох десятків мільйонів років цих запасів ніхто не торкався, люди про них навіть не знали. Але наступила ера вогневих машин, і люди почали шукати та добувати паливо. Ліси вже не змогли забезпечити постійно зростаючі потреби в паливі. В деяких країнах вони вже повністю знищені, і там люди взагалі не можуть розраховувати на них. В багажі сучасної енергетики 34,8 % складає нафта, 23,5 % кам’яне вугілля, 21,1 % газ, 13,8 % - відновлювальні джерела енергії, 6,8 % - ядерна енергія. Тепер усі розуміють, що подальше зростання енергетики за рахунок добувних енергоресурсів обумовить повну розруху екосфери планети. Така небезпека є більш реальною та більшою, чим загроза безповоротного спустошення видобувних енергоресурсів.
Всі основні запаси енергетичного палива вже відкриті і підраховані. Відповідно до даних Міжнародного геологічного конгресу основні енергетичні ресурси в світі по кам’яному вугіллю складають 5043 мрд.т, по бурому вугіллю 2904 мрд.т, по торфу 240 мрд.т.
Можна вважати і навіть надіятися, що десь і колись будуть відкриті нові раніше невідомі місця знаходження вугілля, нафти, газу, які в десятки і сотні разів збільшать світові ресурси видобутку палива, але для цього нема ніяких раціональних основ.
Приведені цифри говорять: запаси палива не нескінченні. Якщо наше покоління може ще не турбуватися про те, що станеться без кам’яного вугілля, нафти, газу, то наступним поколінням цього сказати вже не можна. Наші нащадки рано чи пізно будуть поставлені перед складною проблемою, оскільки ці матеріали необхідні не тільки як паливо, але і як хороша хімічна сировина. Всім відомо, що із кам’яного вугілля, нафти та природного газу виробляються сотні препаратів самого різного призначення від лікувальних засобів до деталей машин. Як же можна так бездушно спалювати таку цінну сировину? Великий вчений К.Б Ціолковський писав: “Тільки наше незнання заставляє нас використовувати паливо, що добувається”, це писалося тоді ,коли використання енергії на душу населення було невелике в порівнянні з теперішнім часом.
Самим яскравим показником технічного прогресу являється енергозабезпеченість людей. Вже зараз на душу населення приходиться на одну добу близько 8 квт/год енергії всіх видів, стосовно до мускульної сили людини це означає, що на кожну людину працює близько 25 невидимих робітників, які допомагають нам будувати залізниці, машини, будівлі, обробляти поля. Пройдуть роки і число таких невидимих слуг зросте ще більше, як стверджують вчені це число зросте до 500. Просте порівняння таких цифр з кінцевими запасами палива, що добувається в надрах землі сигналізує про дуже швидке їх знищення.
Великою спокусою являється вважати необмеженими запаси радіоактивних елементів. Але запаси урану, торія та інших речовин, що розчеплюються в корі земної кулі також не безкінечні. Відповідно до даних іноземних джерел інформації світові запаси урану, в переводі на еквівалентне паливо складають 2.5∙1010т. Якщо врахувати, що з цієї кількості добутого урану лише незначною його частиною являється уран-235, який необхідний для реакторів, а також те, що в звичайних теплових реакторах ядерне паливо не може вигорати до кінця(сама фізика роботи реакторів не дозволяє цього), то в кращому випадку, в них використовується лише декілька процентів від здобутого урану. Використання швидких нейтронів, освоєння термоядерних реакцій може призвести до значного збільшення енергетичних ресурсів, але запаси термоядерного горючого також не є безмежними. Важливим недоліком атомної енергії всіх видів є її висока біологічна небезпечність. Атомна енергія не відноситься до числа ласкових видів енергії. Близько з атомним котлом людина ніколи не буде себе почувати так, як поряд з бурхливим водоспадом або теплим каміном. Термоядерні реакції завжди будуть пов’язані з такими високими температурами, при яких будуть завжди радіоактивні та рентгенівські випромінювання. Стосовно запасів сировини цей вид енергії також являється обмеженим, не змінює загального екстенсивного характеру використання природних енергетичних ресурсів, не відміняє і песимістичних висновків. Для оптимістичного погляду на майбутнє людства необхідні нові перспективи, нові ідеї, які б привели до відкриття інших, ще не відомих енергетичних ресурсів. Перед людством стоїть болісне питання – де знайти місце захоронення використаних радіоактивних матеріалів, небезпечних для усього живого? Хто буде слідкувати за їх станом? В США в місті Сакраменто закрили одну із перших АЕС. На забезпечення території, яка уже дає дуже небезпечне випромінювання, американці щорічно витрачають 250 млн. доларів і відповідно до підрахунків спеціалістів це буде продовжуватись 200 років.
Враховуючи надзвичайно високу біологічну небезпеку атомної енергії видатний вчений Федеріко Жоліо-Кюрі писав: “Хоча я і вірю в майбутнє атомної енергії і згоден з важливістю цього винаходу, але я вважаю, що видатне перетворення в енергетиці прийде тільки тоді, коли ми зможемо здійснювати масовий синтез молекул, який є аналогічний до флорофіллу або навіть більш високої якості”. Ці слова вченого сумісні зі словами іншого видатного дослідника К.А. Тімірязєва, який писав: “Кожний промінь сонця, який не спійманий або безслідно віддзеркалений назад в світловий простір - це шматок хліба, який вирваний із рота віддаленого нащадка”.
Підрахувавши величину сонячної енергії К.Е.Ціолковський стверджував, що її хватило б на те, щоб прогодувати десятки тисяч трильйонів людей – в тисячі мільярдів разів більше населення земної кулі. Навіть тієї енергії, яка приходить від сонця на поверхню Землі у вигляді випромінювання хватило б для того, щоб розтопити весь лід Північного льодовитого океану і Антарктиди. Цієї енергії вистачило б для того, щоб перетворити природу на всій земній кулі та покрити її квітучими садами.
Людству потрібна така енергія, яка не вимагала б безмежного використання природних ресурсів, не загрожувала б людині і існувала б всюди в такій кількості, яка необхідна людині для життя.
Як би не були багаті джерела енергії, питання про їх раціональне використання завжди буде стояти перед громадою. Дуже важливо в теперішній час знайти способи визначення нових видів джерел енергії. Енергетична криза, яка з’явилася у світі безумовно прискорить цей процес.
Підраховано, що мешканці земної кулі тільки за одну добу ліквідують паливо органічного походження (кам’яного вугілля, нафти, газу) стільки, скільки природа зможе синтезувати за тисячу років. Кількість використаного палива за кожен рік на земній кулі давно вже перевищує багато мільярдів тон.
Сучасна енергетика є найбільшим джерелом забруднення атмосферного повітря, на долю енергетичної галузі України припадає 29% шкідливих викидів, у тому числі 30% твердих речових, 63% сірчастого ангідриту та 57% оксидів азоту.
Весь “життєвий цикл” середнього сучасного автомобіля відзначається викидами 6,1 т CO2. В багатьох промислових районах концентрація оксиду вуглецю, сірчастого ангідриту, оксидів азоту, сажі та інших отруйних і канцерогенних речовин досягає граничних рівнів. Вуглекислий газ становить велику потенційну небезпеку. Ця небезпека пов’язана з тепловим забрудненням планети. Підвищення температури навколо Землі на 3.5˚С вчені вважають критичним, що може спричинити незворотні екологічні наслідки. Саме це є граничним фактором, який обмежує кількість промислових об’єктів, що викидають надмірну теплоту в навколишнє середовище. Вирішення екологічних проблем на даний час є дуже важливою, складною та дорогою задачею, якій великі підприємства, що спричиняють ці проблеми, майже не приділяють уваги.
Навіть без урахування наслідків Чорнобильської катастрофи питоме забруднення на одиницю території України є одним з найбільших в Європі. Зони “екологічного лиха” займають 15% території України: Чорнобильська зона відчуження, Донбас, Кривбас, Придніпров’я, Придністров’я, північний Крим, узбережжя Чорного та Азовського морів.