3. Солнечные коллекторы. Прямое использование солнечной энергии идеально подходит для отопления, горячего водоснабжения. Достаточно плоского коллектора. Существует множество разновидностей коллекторов, но у всех есть черная поверхность, а над ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает ее в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. Воздух для нагреваний пропускают между черной поверхностью и окном, а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую сводится к минимуму.
4. Солнечные пруды. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему слою остыть. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещение.
К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них необходимы большие площади, не менее чем на три порядка больших, чем для ТЭС той же мощности, причем недалеко от потребителя (в пределах 80 км). Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Также, любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью (алюминий, кремний и другие); при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных электростанций (СЭС), которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни км2. По мнению академика Капицы, применение фотопреобразователей с высоким коэффициентом полезного действия может привести к падению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и, следовательно, прекратят работу фотоприемники.
Солнечная энергия обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха, накопление органического вещества в биосфере. Все это различные преобразованные формы энергии Солнца, полностью зависят от его падающего на Землю излучения. Обращаясь к этим энергоресурсам, идет непрямое использование солнечной энергии.
БИОЭНЕРГЕТИКА. Биоэнергетика – это использование в качестве источника энергии биомассы. Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов.
1. Прямое сжигание – это топка печей дровами. Этот вид использования биомассы самый простой, но экологически грязный, т.к. идет загрязнение атмосферы и уничтожение лесных экосистем.
2. Получение бензоспирта. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство из сахарного тростника как автомобильного горючего, является Бразилия:
С6Н12О6 (глюкоза) → 2С2Н5ОН + 2СО2. Но это топливо не лишено недостатков. Во-первых, в качестве исходных продуктов используются пищевые продукты (сахарный тростник, зерновые). Во-вторых – загрязнение окружающей среды. Хотя сгорание спирта – довольно чистый с экологической точки зрения процесс, его производство очень «грязное» из-за использования для перегонки др. топлива (например, угля), причем оно требуется в больших количествах. Поэтому спирт очень дорогой продукт.
3. Получение биогаза (биометаногенез). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением биогаза, на 2/3 состоящего из метана СН4. Процесс биометаногенеза осуществляется бактериями в три стадии.
На первой стадии происходит растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:
Н3С – СН2 – СООН – пропионовая кислотаСхНуОz → Н3С – СН2 – СН2 – СООН – масляная кислота (R – COOH)Н3С – СН(ОН) – СООН – молочная кислота
Вторая стадия – ацидогенез – идет под действием уксуснокислых бактерий:
R – COOH → H3C – COOH + CO2 + H2
Третья стадия – метаногенез – идет под действием метанобактерий:
СО2 + Н2 → СН4 + Н2О
Биогаз состоит в основном из метана СН4 (65 %) и углекислого СО2 (30 %). Его теплотворная способность составляет 23000 кДж/м3.
В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используется также при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе этим путем может идти биотрансформация некоторых биоцидов:
4С6Н5СООН + 24Н2О → 12СН3СООН + 4НСООН + 8Н212СН3СООН → 12СН4 + 12СО24НСООН → 4СО2 + 4Н42СО2 + 12Н2 → 3СН4 + 6Н2О
суммарное уравнение: 4С6Н5СООН + 12Н2О → 15СН4 + 13СО2.
Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в виде метана СН4 в специальных реакторах – дайджестерах. В некоторых странах (Индия, Китай, Филиппины) разработаны национальные энергетические программы, нацеленные на производство биогаза. А в Китае многие фермеры специально сбраживают навоз и получаемого биогаза хватает на удовлетворение всех энергетических нужд хозяйства. Таким образом, использование биогаза в качестве источника энергии таит в себе большие возможности.
ГИДРОЭНЕРГЕТИКА. Выработка электроэнергии на гидроэнергетических установках не сопровождается загрязнением окружающей среды. Полные расчетные гидроресурсы рек планеты оцениваются в 1000 трлн. кВт/час. Гидроресурсы, которые можно реализовать с помощью гидроэлектростанций (ГЭС), примерно в 30 раз меньше. По оценкам специалистов, даже при полном использовании потенциала всех рек планеты, гидроэнергетика может обеспечить человечество электроэнергией не более чем на 25 %. На территории бывшего СССР находится 12 % мировых гидроресурсов, эффективность использования которых составляла 20 %. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов выше: в Канаде – 50 %, в Японии 62, в Швеции и Италии – 74, во Франции и Швейцарии – 90, в США – 44 %.
Существует 3 вида гидроэнергетических установок (ГЭУ):
1. гидроэлектрические станции (ГЭС) используют энергию рек. ГЭС представляют собой наиболее простые устройства для получения электроэнергии. ГЭС имеют очень высокий коэффициент полезного действия (кпд) (93 %), в то время как кпд ТЭС – 40 %. ГЭС являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. На них гораздо легче, чем на АЭС или ТЭС пускать или останавливать агрегаты, нет ограничений по скорости изменения их мощности. Поэтому ГЭС имеют важное значение как дешевый источник энергии.
Отрицательное воздействие ГЭС на окружающую среду проявляется в следующем:
• затопляются земли, часть которых относится к высокопродуктивным сельскохозяйственным и лесным угодьям. Затопленные плодородные почвы обогащают воду большим количеством биогенных элементов, что приводит к развитию процессов эвтрофикации и вызывает резкое ухудшение качества воды;
• наличие плотины является практически непреодолимым препятствием для нерестового хода рыб, что отрицательно сказывается на состоянии рыбных запасов;
• к отрицательным последствиям относят также увеличение потерь воды на испарение, локальное изменение климата, нарушения в режиме грунтовых вод и так далее;
• создание крупных водохранилищ можно способствовать возникновению или повышению сейсмической активности в прилегающих к ним районах.
2. гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) способны накапливать и использовать энергию озер и искусственных водоемов. ГАЭС используют ту гидравлическую энергию, которая специально ими же накоплена. Они объединяют две установки: турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн. На это затрачивается энергия. В требуемое время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, и тем самым будет получена определенная энергетическая мощность. Коэффициент полезного действия ГАЭС – 70-80 %. Создание ГАЭС связано с проблемой пиковой энергии. Электроэнергия потребляется неравномерно – больше всего утром и вечером. Для покрытия кратковременных пиков и существуют ГАЭС. Ночью они, потребляя энергию ТЭС или АЭС, накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки эта энергия используется. Недостатки ГАЭС те же, что и у ГЭС.
