Состояние и перспективы энергоснабжения

В целом в XXI веке энергетические ресурсы будут достаточными, но добывать их будет все труднее и труднее. Необходимо всемерное энергосбережение. В мире ведутся научно-исследовательские работы по освоению новых источников энергии. В институте атомной энергии им. И. В. Курчатова и в институте физики им. А. Ф. Иоффе ведутся исследования на установках «Токомак», пытаются получить энергию управляемой термоядерной реакцией. Пока нет реальных предпосылок получить практически важный результат в обозримой перспективе.

При общем росте энергопотребления в мире электропотребление растет более высокими темпами. Электрификация имеет крупное инфраструктурное значение, является важнейшим фактором научно-технического прогресса и роста производительности труда во всех отраслях экономики. Посредством использования электроэнергии вовлекаются в производство и быт такие крупномасштабные ЭР, как уголь, ядерная и гидроэнергия. Эти идеи были заложены еще в ленинском плане ГОЭЛРО. Они нашли полное подтверждение в практике развития СССР и других стран. Наша страна – единственная из крупных держав, полностью обеспеченная собственными ЭР, т. е. самодостаточная.

При Советской власти ТЭК развивался опережающими темпами, что и обеспечивало устойчивое развитие всех отраслей промышленности. Однако проводимые в стране вот уже в течение 15 лет «реформы» привели ТЭК в критическое состояние. Свертывается угольная промышленность, форсированно расходуются нефть, газ. Они пока обходятся дешевле, но что же будет через 30–50 лет?

Вопросы и задания

6.1. Возможно ли, в принципе, устранение неравномерности потребления энергоресурсов в мире?

6.2. Дайте оценку фактору резкого сокращения добычи угля в Ростовской области.

6.3. Какие опасности существуют при транспортировке нефти?

6.4. Чем объясняют более высокие тепы роста потребления электрической энергии по сравнению с другими видами энергии?

Глава 7
Нетрадиционные возобновляемые
источники энергии (НВИЭ)

Запасы органического топлива ограничены. Их использование приводит к все большему загрязнению окружающей среды, к росту температуры атмосферы земли. Атомная энергетика имеет свои проблемы и, в частности, захоронение радиоактивных отходов.

По указанным причинам человечество стремится освоить НВИЭ: солнечная энергия, энергия ветра, биомассы, морских волн и приливов.

Преимущества и недостатки НВИЭ

Общие свойства для всех НВИЭ, осложняющие их применение: малая плотность потока генерируемой энергии, необходимость ее аккумулирования и резервирования. НВИЭ не увеличивают поступление энергии на планету и не приводят к тепловому загрязнению; они – экологически чисты. Малая плотность энергии и невозможность регулирования ее поступления не позволяют ориентировать развитие энергетики исключительно на НВИЭ. Наиболее рациональное направление – сочетание нетрадиционных и традиционных источников энергии.

В настоящее время и в обозримом будущем основными источниками энергии останутся углеводородное топливо и ядерное горючее. Одновременно следует всемерно развивать гелио-, ветро-, био-, гео- и гидроэнергетику.

Пределом повышения суммарной (на Земле) мощности традиционных энергоустановок является количество теплоты, отводимое с поверхности планеты в космическое пространство. Нельзя допускать повышения температуры на Земле, это может привести к катастрофическим последствиям (таяние ледников – затопление суши; ураганы; изменение флоры и фауны).

7.2 Коллекторы и концентраторы
солнечной энергии (КСЭ)

Коллекторы. Наиболее часто используют плоские КСЭ (рис. 36). Коллектор состоит из корпуса 1, прозрачной для солнечных лучей панели 2, лучепоглощающей поверхности (экрана) 3, трубок для теплоносителя 4, теплоизоляции 5.

Рис. 36. Коллектор солнечной энергии

Принцип работы КСЭ: световые лучи проходят через панель 2, поглощаются экраном 3 и трубками 4, которые, нагреваясь, излучают инфракрасные лучи; панель 2 их не пропускает. Таким образом, получается как бы солнечная ловушка: энергия в коллектор проходит и уносится по трубам 4. Совокупность элементов 3 и 4 называют абсорбером.

Для повышения КПД КСЭ используются следующие методы:

1. Нанесение селективных пленок на абсорбер. Эти пленки изготавливают из черного хрома и черного никеля на металлической подложке. Пленки черного цвета, поглощают солнечные лучи. Вместе с тем, их излучательная способность в инфракрасной области очень низка.

2. Применение высококачественной теплоизоляции КСЭ.

3. Вакуумирование коллекторов – для уменьшения интенсивности переноса теплоты от поверхности абсорбера к корпусу коллектора теплопроводностью и конвекцией. Известно, что снижение давления до 0,01 мм рт. ст. практически полностью исключает теплопроводность и конвекцию в воздушной среде.

Элемент вакуумированного коллектора (рис. 37) выполняется в виде стеклянной трубки; внутри – солнечноприемный экран 1, трубка 2 – для теплоносителя. Для подавления конвекции свободное пространство внутри трубки заполняется про­зрачной пластмассой.

Трубки монтируются в модули. Нагрев возможен до 300 °С (для вакуумированных КСЭ) и до 100 °С – для не вакуумированных.

Концентраторы. Это устройства в виде зеркал, линз. Зеркала изготавливаются из полированного металла, линзы – из стекла или пластмассы. Могут выполняться поворотными («слежение» за солнцем), используются в больших количествах в гелиоэлектростанциях для приема солнечной энергии и направления ее на паровой котел.

Для солнечной электрической станции (СЭС) даже небольшой мощности требуется значительное количество зеркал. Так, например, на Крымской СЭС мощностью 5 МВт на поле радиусом 200 м установлено 1600 зеркал, а котел находится на башне высотой 80 м.

За рубежом построены и успешно эксплуатируются десятки СЭС башенного типа мощностью 5–100 МВт. Их главные недостатки: высокая стоимость и большая занимаемая площадь.

Более совершенны СЭС модульного типа. Они состоят из большого числа однотипных элементов – модулей. Модуль (рис. 38) представляет собой параболический концентратор солнечного излучения 1 и трубчатый приемник теплоты 2, расположенный в фокусе концентратора. По трубке приемника проходит рабочее тело (жидкость, газ), которое после восприятия тепла направляется в приемник.

Оптимальная мощность модульных СЭС – до 10 МВт.

В фотоэлектрических гелиоустановках применяются полупроводниковые фотопреобразователи (ФЭП), используется арсенид галлия и антимонид галлия. С этими материалами КПД достигает 37%, а в кремниевых ФЭП – до 12%. Пока что, стоимость электростанций на основе ФЭП – высока. Но в отдаленных районах, в космосе такие установки применяются. Учитывая непрерывный прогресс в технологии производства ФЭП и рост цен на традиционные энергоносители, можно надеяться на то, что гелиоэнергетика будет интенсивно развиваться. Основной прирост производства ФЭП в мире приходится на Японию.

Есть проект: в космосе размещаются поля с ФЭП (обеспечивается постоянство облучения). С помощью концентраторов энергия передается на землю – на котлы обычных ТЭС.