Перспективы развития гелиоэнергетики. Гигантские солнечные электростанции сахары Свет мой зеркальце
План-конспект урока экологической направленности
по географии в 10-м классе
Разработчик: учитель географии МКОУ СОШ № 6 п. Заря Солонцова Л.Н .
Тип урока: комбинированный.
Цель урока: познакомить учащихся с основами рационального природопользования.
Образовательно-воспитательно-развивающие задачи:
Образовательные задачи:
1. Ввести новые понятия: природопользование, особо охраняемые природные территории, экологическая политика государства, устойчивое развитие
2. Сформировать знания у учащихся о рациональном и нерациональном природопользовании.
3. Познакомить учащихся с основами экологической политики Российской Федерации.
Развивающие задачи:
1. Развивать у учащихся учение работать с учебником.
2. Развивать у учащихся глобальное мышление (необходимость рационального природопользования и устойчивого развития общества).
Воспитательные задачи:
1. Учащиеся должны убедиться в том, что создание особо охраняемых природных территорий – важная задача любого государства в решении проблемы рационального природопользования.
2. Воспитание у учащихся стремления к познанию нового.
Методы обучения:
1. Объяснительно-иллюстративный.
2. Практический.
Оборудование:
Учебник (География. Современный мир. 10-11 класс/ под ред. А.И. Алексеева), проектор, мультимедийная презентация Power Point 2007.
Использованная литература:
1. География. 10-11 класс. Методические рекомендации: пособие для учителя/ В.В. Николина, 2007 г.
2. География. Поурочные разработки. 10-11 классы. Пособие для учителей общеобразовательных учреждений/ Верещагина Н.О., Сухоруков В.Д. – М.: Просвещение, 2012.
3. География. Мой тренажер:10-11 классы: базовый уровень: пособие для учащихся общеобразовательных организаций/Ю.Н. Гладкий, В.В. Николина; Рос. акад. Образования, Рос. акад. наук. - М.: Просвещение, 2013.
4. Рабочая тетрадь по географии:10 кл.: Пособие для учащихся общеобразоват. учреждений/ Максаковский В.П. – М.: Просвещение, 2000.
5. Ресурсы интернета.
Основные этапы урока:
I этап . Организационный момент (1-3 мин)
Приветствие;
II этап . Проверка домашнего задания. (7-10 минут)
1. Теоретические вопросы.
2. Практические задания.
III этап . Изучение нового материала (15-20 минут)
IV этап . Закрепление изученного материала (10-12 минут)
V этап . Итоги урока:
1. Домашнее задание.
2. Выявление недочетов.
Приветствие;
Проверка школьных принадлежностей;
Проверка освещенности, проветриваемости помещения.
1-3 мин
Проверка домашнего задания
1. Теоретические вопросы:
1. Что такое природные ресурсы?
2. Какие виды природных ресурсов мы изучили?
3. С какими видами природных ресурсов мы познакомились на прошлом уроке?
4. Назовите виды ресурсов нетрадиционной энергетики.
5. Что такое агроклиматические ресурсы? Что к ним относится?
6. Что такое рекреационные ресурсы? В чем их особенность?
Учащиеся отвечают на поставленные вопросы
3-4 мин
2. Практические задания:
2. Пользуясь климатической картой мира, попытайтесь определить, в каких странах и регионах имеются наилучшие возможности использования:
а) энергии Солнца;
б) энергии ветра.
Аргументируйте свой ответ.
а) доступность;
б) оптимальность природного комплекса для отдыха;
в) эстетическая привлекательность;
г) влияние на здоровье людей.
Выполняют групповые задания:
1 ряд формулирует ответ на 1 вопрос,
2 ряд пытается подобрать аргументы для 2 вопроса;
3 ряд оценивает рекреационные ресурсы своей местности
4-6 мин
III
Изучение нового материала.
Актуализация знаний.
Человеческое общество прошло долгий путь развития от первобытной общины до постиндустриального общества с развитыми технологиями.
Давайте попробуем нарисовать кривую, которая отображает зависимость потребления ресурсов человеком во времени.
Увеличиваются или уменьшаются потребляемые природные ресурсы?
Тем более, что природные ресурсы мира, также как и ресурсы России, в большинстве своем исчерпаемы.
Чем это грозит для человечества?
Сегодня на уроке мы поговорим правильном, рациональном использовании природных ресурсов, и как общество старается улучшить качество жизни настоящего и будущего поколения.
Тема сегодняшнего урока: «Природопользование и устойчивое развитие»
Внимательно слушают, рисуют кривую, отображающую зависимость потребления человеком ресурсов во времени.
2-3 мин
В настоящее время во многих регионах планеты складывается экологически кризисная обстановка, при которой разрушается среда жизнедеятельности человека.
Перед человечеством встала проблема единства и взаимосвязанности эксплуатации природных ресурсов и мер по их восстановлению, охране природы.
Разработкой этой проблемы занимается природопользование.
Давайте попробуем сначала сами объяснить, что такое природопользование.
П р и р о д о п о л ь з о в а н и е – совокупность всех форм эксплуатации природных ресурсов и мер по их сохранению и воспроизводству.
Давайте подумаем, всегда ли в большинстве случаем, наносится ли вред природе при потреблении ресурсов?
Правильно, в тех случаях, когда природно-ресурсный потенциал не сохраняется, такое природопользование называется н е р а ц и о н а л ь н ы м.
Однако, в последнее время появилось много технологий добычи природных ресурсов, не приводящих к изменению природно-ресурсного потенциала. Такой тип природопользования называется р а ц и о н а л ь н ы м.
Зарисуйте схему видов природопользования.
Давайте подведем небольшой итог. Что такое, на ваш взгляд, природопользование?
Какие виды природопользования мы выделили? Какие особенности имеет рациональное и нерациональное природопользование?
Правильно, рациональное природопользование предполагает ресурсосбережение, комплексное использование ресурсов, утилизацию отходов, использование новых материалов, охрану природы.
Внимательно слушают, формулируют определения и записывают их в тетрадь, отвечают на вопросы
Рисуют схему в тетради
Отвечают на вопросы, делают вывод
3-4 мин
В решении проблемы рационального природопользования и охраны природной среды важное место отводится особо охраняемым природным территориям. Предлагаю внимательно посмотреть небольшой видеоролик обращения председателя Совета Федерации РФ С.М. Миронова.
А теперь давайте обсудим видеоролик.
О каких территориях шла речь в обращении?
Попробуйте сформулировать самостоятельно, что такое особо охраняемые природные территории. А теперь обратимся к учебнику.
Записываем определение в тетрадь.
О с о б о о х р а н я е м ы е п р и р о д н ы е т е р р и т о р и и – участки суши, водной поверхности и воздушного пространства над ними, имеющие особо ценное природное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение.
Какие виды особо охраняемых природных территорий были упомянуты С.М. Мироновым?
Попробуйте нарисовать схему: «Виды особо охраняемых природных территорий»
Как вы думаете, должно ли государство заниматься проблемой экологии? Свой ответ аргументируйте.
Правильно, государство должно принимать природоохранные законы, долгосрочные программы улучшения природной среды, введение системы штрафов за загрязнение, создавать специальные государственные органы. Такую политику государства называют э к о л о г и ч е с к о й.
Подведем небольшой итог. Какое значение имеют особо охраняемые природные территории? Какие виды особо охраняемых природных территорий вы знаете?
Внимательно смотрят видеоролик
Отвечают на вопросы
Формулируют определение понятия «особо охраняемые природные территории»
Записывают определение в тетрадь
Отвечают на поставленный вопрос
Рисуют схему «Виды охраняемых территорий» в тетради
Приводят аргументы в поддержку того, что государство должно заниматься экологическими проблемами
Внимательно слушают
Отвечают на поставленные вопрос, подводят предварительный итог.
7 мин
Демографический взрыв, истощение минеральных ресурсов, деградация биосферы и т.д. Все это приводит к ухудшению качества жизни людей, возникновению ряда социальных, экономических проблем. Именно поэтому в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. Предлагаю посмотреть видеоматериал с той самой конференции, а именно, речь Северн Сузуки. Ей на тот момент было столько же, сколько и вам сейчас.
Какие проблемы затронула девочка в своем обращении? К чему призывала она глав государств?
Как вы думаете, удалось ли Сузуки повлиять на ход конференции?
Я с вами согласна, главы государства на этой конференции разработали стратегию перехода общества к устойчивому развитию общества. А что такое, по вашему мнению, устойчивое развитие?
Сравним определение, данное в учебнике и сформулированное вами на уроке. Запишем его.
У с т о й ч и в о е р а з в и т и е – длительный управляемый процесс изменения общества на глобальном, региональном и локальном уровнях, нацеленный на улучшение качества жизни настоящего и будущего поколений.
Давайте подведем итог тому, что мы выяснили на уроке.
Смотрят выступление Северн Сузуки на конференции ООН
Отвечают на вопросы по просмотренному видеоролику
Пытаются сформулировать определение устойчивого развития.
Ищут определение в учебнике, записывают его в тетрадь
Подводят итог урока
6 мин
Закрепление изученного материала
Как вы понимаете высказывание: «Главное в идее устойчивости – жить не на капитал природы, а на дивиденды от него»? Свой ответ аргументируйте.
Известно, что современная промышленность потребляет огромное количество природных ресурсов. Их стоимость в суммарных затратах на производство промышленной продукции составляет около 75%. Вместе с тем, по мнению некоторых ученых, из добываемого сырья используется пока всего лишь 1%. 99% в искаженном, чуждом природе виде становятся отходами, загрязняющими окружающую среду. Какое решение этой проблемы можете предложить вы?
Осмысливают высказывание, отвечают на вопрос
Решают поставленную проблему
10 мин
Итоги урока.
1. Домашнее задание:
Изучить §10, уметь объяснять основные понятия.
2. Заполнить таблицу, пользуясь изученным материалом, картами атласа и дополнительной литературой:
2. Выявление недочетов.3. Озвучивание оценок и выставление отметок в дневник.
Записывают в дневник домашнее задание, слушают комментарии к нему
2 мин
Солнечные электростанции, которые производят другие солнечные электростанции, которые… Этот экспансивный процесс, если ему дать где разгуляться, например в пустыне, обеспечит человечество прорвой энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии.
Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический «проект разведения солнечной энергетики в Сахаре» (Sahara Solar Breeder Project).
Вместо того чтобы вести тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни. Сырьё же будет браться буквально под ногами. Ведь песок - богатейший источник кремнезёма.
Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей. Их следует выпускать здесь же. После того как мощность одного такого поля достигнет определённой величины, где-то неподалёку можно построить второй завод по переработке песка и выпуску солнечных панелей. Ведь сам этот процесс требует немало энергии: её и дадут первые батареи.
Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод по переработке песка… Так солнечные электростанции начнут «размножаться» по экспоненте. Причём на работу заводов будет уходить небольшая доля общей мощности солнечных электростанций.
Рис. 1. Основной принцип «солнечного размножителя» прост: солнечные батареи за счёт вырабатываемой энергии должны обеспечить основу для дальнейшей своей экспансии (иллюстрация diginfo.tv).
Полученную энергию надо будет переправлять крупным потребителям - в Европу, а может, и дальше. Тут, полагают японцы, не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников. Их следует охлаждать жидким азотом, а проходить они будут под землёй, для минимизации перепадов температуры грунта.
Лидер данного проекта, профессор Хидеоми Коинума (Hideomi Koinuma) из Токийского университета (University of Tokyo), впервые представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к её воплощению.
Дело сдвинулось с мёртвой точки стараниями двух японских агентств – по наукам и технологиям (JST) и по международному сотрудничеству (JICA). Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты из шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана (USTO).
Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии (Sahara Solar Energy Research Center – SSERC), весной 2010 года был отобран JST для дальнейшего продвижения. Рассчитан SSERC на пять лет, и его цель – разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder мог бы стать реальностью.
Рис. 2. План японцев в общих чертах. Местные энергия и материалы не только позволят производить всё больше солнечных панелей, но и опреснять воду, необходимую для отвоевания территории у пустыни (иллюстрация diginfo.tv).
Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причём с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку по переработке песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год.
Кроме того, в 2011 году учёные намерены построить в Сахаре одну «свою» солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жёстких условиях, как на неё повлияют песчаные бури.
Со сверхпроводящими кабелями тоже не всё ещё ясно. Нужная технология, причём промышленная, уже существует. Но нужно выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да ещё на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования…
В общем, перед нами лишь исследовательский проект. Никто ещё не может сказать - стартует ли когда-нибудь «саморазмножение» электростанций в Сахаре. Но если план сработает, к 2050 году та самая первая 100-киловаттная батарея «размножится» до полей производительностью 100 гигаватт. Это солидная величина - порядка 3% от установленной мощности электростанций всего мира. А что будет дальше, можно только фантазировать.
Рис. 3. Крупнейшая в мире солнечная электростанция на основе фотоэлектрических панелей на данный момент – Finsterwalde Solar Park в Германии. Первая очередь этого солнечного парка была построена в 2009 году, а вторая и третья – в 2010-м. Пиковая мощность «парка» составляет 80,7 мегаватта (фото с сайта greenunivers.com).
По степени воздействия на человечество Коинума сравнивает «засеивание Сахары» солнечными панелями с высадкой астронавтов на Луне, потому дал своему проекту ещё одно название - Super Apollo. Первое слово – это не просто обозначение превосходной степени, но и намёк на использование сверхпроводников, а второе - отсыл к знаменитой космической программе американцев и имя бога Солнца.
Конечно, в идее Хидеоми ещё много белых пятен. Экономику цикла ещё предстоит оценить в деталях. И тут умельцам из Страны восходящего солнца есть на кого ориентироваться. Похожий замысел лелеет организация Desertec Foundation и целый конгломерат немецких компаний. Они собираются к 2020–2025 году выстроить в Сахаре комплекс солнечных электростанций на всё те же 100 гигаватт.
План немцев куда более приземлённый: тут нет экспоненциального «размножения» заводов солнечных батарей, самих батарей тоже нет, а вместо них предполагается использовать термальные электростанции с зеркалами-концентраторами. И линии электропередачи для переброски энергии в Европу планируются классические.
Тем не менее стоимость проекта Desertec Foundation оценена в сотни миллиардов евро. Интересно посмотреть - сумеют ли японцы с алжирцами сократить затраты со своей стратегией «разведения» электростанций.
Проект SSERC имеет и ещё одно важное назначение. Коинума рассчитывает, что «солнечный» центр в Алжире сыграет роль катализатора развития местной науки и промышленности. В рамках проекта японцы собираются делиться своими знаниями и технологиями с подрастающим поколением африканских учёных и инженеров, которым, если всё пойдёт по плану, и предстоит превращать в быль японскую сказку о пустынной сети солнечных электростанций.
Photo: wikipedia
Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Солнечная энергия испускается в виде электромагнитного излучения.
Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы, как: уловить его наибольший поток, сохранить и передать производные от него тепло и электричество без потерь.
Ресурсы солнечной энергии практически неограниченны. Так, по некоторым расчетам , количество её, достигшее поверхности Земли в течение минуты больше чем энергия, доступная из всех других источников в течение года.
Используя энергию солнца, гелиосистема позволяет экономить в год до 75% необходимого традиционного топлива.
Преимущества использования солнечной энергии - экологическая чистота (отсутствие эмиссии СО2) и неисчерпаемость сырья с одной стороны и длительный «срок годности». Солнечная батарея не имеет движущихся и трущихся частей, и может работать без замены рабочих элементов не теряя КПД 20-25 лет.
Недостатками
использования солнечной энергии являются естественные колебания солнечной активности — изменение продолжительности светового дня в течение года.
Отрицательные воздействия энергоустановок:
- использование больших по масштабу площадей, что связанно с возможной деградацией земель и изменением микроклимата в районе расположения станции.
- использование «хлористых» технологий получение «солнечного» кремния. Однако в мире и в России в стадии опытно-промышленного производства находятся бесхлорные экологически чистые технологии. Их широкое внедрение обеспечит, безусловно, экологическую чистоту фотоэлектрических станций и установок.
Направления разработок гелиоэнергетики
В настоящее время разработка гелиоэнергетических (греч. Helios - солнце) систем ведется по двум направлениям:
- Создание энергетических концентраторов;
- Совершенствование солнечных батарей.
Работа над первым направлением включает в себя создание систем, работающих по принципу концентрации энергии. Солнечная энергия в таком случае при помощи линзы фокусируется на относительно небольшом по площади фотоэлектрическом элементе.
Например, фотоэлектрические системы с линзой Френеля, разрабатываемые японской компанией Sharp. Или силиконовые комплексные полупроводники (Калифорнийский технологический университет — Калтеха), разрабатываемые по принципу концентрирования солнечного света морскими организмами в частности морской губкой «Venus’s flower basket».
Принцип работы солнечной батареи (генератора энергии) - это прямое преобразование электромагнитного излучения солнца в электричество или тепло. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом (ФЭ). При этом генерируется постоянный ток.
На сегодняшний момент существуют следующие виды солнечных батарей :
1.Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Это полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Определенное число объединенных между собой ФЭП называются солнечной батареей.
2.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Это солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.)
3.Солнечные коллекторы (СК). Это нагревательные низкотемпературные установки, использующиеся для автономного горячего водоснабжения жилых и производственных объектов.
Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов:
Автономные, работающие без подключения к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.
Соединенные с сетью — в этом случае объект подключен к сети централизованного электроснабжения. Избыток электрической энергии продается компании-владельцу распределительных сетей по согласованному тарифу.
Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.
Основной комплексной проблемой, препятствующей успешному всеобщему внедрению батарей в производство является их низкая эффективность. То есть неэффективное сочетание стоимости, размеров и коэффициента полезного действия продукта (КПД). Существующие солнечные батареи (фотоэлементы) работают с КПД максимум 30-35%. Ведутся активные поиски возможности удвоения мощности солнечных фотоэлектрических установок. Хотя пока стоимость солнечной энергии остается слишком высокой для промышленности: киловатт-час солнечной энергии стоит 20-25 центов, между тем как цена электричества, производимого ТЭЦ, работающей на угле, составляет 4-6 центов, на природном газе — 5-7 центов, на биологическом топливе — 6-9 центов.
Тенденции развития
На сегодняшний день наиболее известными компаниями производящими солнечные батареи являются Siemens, Sharp, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие.
По данным журнала «В мире науки» (№1-2007), «за последние 10 лет годовое производство фотоэлектрической энергии увеличивалось на 25%, а в одном только 2005 г. — на 45%. В Японии в абсолютном выражении оно достигло 833 МВт, в Германии — 353 МВт, в США — 153 МВт».
По данным Solarhome.Ru , суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн. м 2 , что эквивалентно замещению генерации на органическом топливе в объеме примерно 5-7 млн. тонн условного топлива в год.
Необходимость делать ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным ценам провоцируют активные поиски и разработку новых технологий.
За последнее десятилетие солнечные батареи за счет усовершенствования технологии их изготовления стали доступнее. Так, в Японии подобное оборудование ежегодно дешевеет на 8%, в Калифорнии — на 5%….
Перспективы развития и использования солнечных систем в России
Южные регионы и регионы с континентальным и резко континентальным климатом России являются наиболее благоприятными для применения солнечных коллекторов в качестве основного источника для отопления в зимний период.
В условиях центральной России гелиосистемы обеспечат значительную экономию использования классических видов топлива, существенно дополняя баланс энергопотребления (опыт внедрения гелиоустановок-водогреев в Калининграде).
В настоящее время в России не ведется массовое производство и внедрение гелиосистем.
Хотя существующая в последнее время тенденция развития теплоснабжения, направленная на децентрализацию крупных источников поставки тепла — использования локальных технологий энергосбережения, может явиться стимулом развития возобновляемых источников энергии, в том числе и энергии солнца.
На сегодняшний день в России гелиоустановки производятся Рязанским заводом металлокерамический приборов; Ковровским заводом; ЗАО "Южно-русской энергетической компанией"; АО "Конкурент" г. Жуковский Московской обл. Отдельные партии коллекторов изготавливает НПО машиностроения г. Реутов Московской обл. и др.
Подготовила Ольга Плеханова
1. Пользуясь климатической картой мира, попытайтесь хотя бы примерно определить, в каких странах и регионах имеются наилучшие возможности использования: а) энергии Солнца б) энергии ветра.
а) США – один из лидеров использования Солнечной энергии, кроме этого здесь находится самое солнечное место в мире – г. Юма, шт. Аризона. Также перспективен Кипр (320 солнечных дней в году), Ямайка (250) б) Энергию ветра используют такие страны как Голландия, Франция, Швеция. Находясь в прибрежной зоне, ветра там дуют постоянно.
2. Наиболее развита гелиоэнергетика в: 1) России, Великобритании 2) США, Франции 3) Италии, Бразилии.
3) Италии, Бразилии
3. Выберите верные утверждения:
1) Ценность рекреационных ресурсов определяется только в денежной форме.
2) Ресурсы ветровой энергии сосредоточены главным образом в умеренном поясе (верно)
3) Объекты природного и антропогенного происхождения, используемые человеком для отдыха, туризма, лечения, называют рекреационными ресурсами (верно)
4) Ресурсы солнечной энергии значительны в странах тропического пояса (верно)
4. Почему человечество всё настойчивее ищет возможности использования нетрадиционных источников энергии?
Это связано с исчерпанием потенциала традиционных источников энергии и все увеличивающимися издержками при их использовании и добыче.
5. Как влияет широтная зональность и вертикальная поясность на распределение агроклиматических ресурсов?
Если учитывать, показатели широтной зональности, то изменение агроклиматических ресурсов будет идти от экватора к полюсам. При вертикальной поясности – ухудшение агроклиматических ресурсов будет прослеживаться при поднятии вверх.
6. Каковы особенности рекреационных ресурсов и их отличие от изученных ранее природных ресурсов?
Все природные ресурсы обладают рекреационным потенциалом. Рекреационные ресурсы – объекты и явления природы, которые можно использовать в целях отдыха, туризма и лечения. Этот вид ресурсов выделяется не по особенностям происхождения, а по характеру использования.
Это маловероятно, в силу наличия зыбучих песков, песчаных бурь, высокой температуры днем и низкой ночью. Все эти факторы делают сложным возможности эксплуатации солнечных батарей и их обслуживания.
8. На какие альтернативные источники обильной и чистой энергии следует надеяться человечеству в 21 столетии?
Термоядерная энергия, так как запасы водорода почти неисчерпаемы.
9. Используя специальную литературу подберите конкретные примеры развития рекреационной деятельности в Российской Федерации.
Кавказ – санитарно-курортные комплексы (Кисловодск, Пятигорск). Черноморское побережье – Анапа, Геленджик, Сочи. Сочи – альпинизм, детское лечение. «Золотое кольцо России» - памятники истории и культуры. Урал – горный туризм, альпинизм, пещеры (Кунгур).
ПЕРСПЕКТИВЫ И АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ПУСТЫНЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГИСТРАЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Россия, г. Москва, Центральный институт авиационного моторостроения им.
Россия, г. Орел, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК »
Рассмотрены перспективы и анализ развития солнечных электростанций в пустынях с использованием сверхпроводящих магистралей для повышения эффективности передачи электроэнергии и электроснабжения. Новые сверхпроводящие материалы и криогенные жидкости двойного применения расширяют возможности использования сверхпроводящих энергомагистралей в энергетике.
The perspectives and analysis of the development of solar power plants in deserts using superconducting lines for improving the efficiency of power transmission and power supply are considered. The new superconducting materials and cryogenic liquids of double application expand a opportunities of use of the hybrid superconducting power lines in power engineering.
Создание и развитие солнечных электростанций, например в пустынях, обеспечит человечество огромным количеством энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии. Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический проект развития солнечной энергетики в Сахаре Sahara Solar Breeder Project. Вместо того чтобы везти тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни.
Cырье для изготовления солнечных элементов имеется в больших количествах, поскольку песок является богатейшим источником кремнезема. Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей, которые следует выпускать на месте в пустыне. После того, как мощность одного такого солнечного поля (с расположением солнечных электростанций) достигнет определенной величины, где-то неподалеку можно построить второй завод переработки песка, выпускающий солнечные панели. Ведь сам этот процесс требует немало энергии. Ее и дадут первые солнечные батареи. Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод переработки песка. Таким образом, управление развитием солнечной энергетики в пустынях начнет осуществляться по экспоненте. При этом на работу заводов будет уходить небольшая доля вырабатываемой солнечными электростанциями энергии.
Полученную энергию нужно будет передавать крупным потребителям, в Европу, а может, и дальше. В этом случае не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников . Их следует охлаждать криогенными жидкостями и прокладывать под землей, для минимизации перепадов температуры.
Впервые лидер данного проекта профессор Токийского университета Хидеоми Коинума представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к ее воплощению. Дело сдвинулось с мертвой точки стараниями двух японских агентств, по наукам и технологиям и по международному сотрудничеству. Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана. Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии Sahara Solar Energy Research Center, весной 2010 года был отобран для дальнейшего продвижения. Рассчитан он на пять лет, и его целью является разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder стал реальностью. Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причем с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку переработки песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год. Кроме того, в ближайшее время ученые намерены построить в Сахаре одну солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жестких условиях, как на нее повлияют песчаные бури. Не все ясно и со сверхпроводящими кабелями. Нужная промышленная технология. Следует выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да еще на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования. Пока это лишь исследовательский проект. Сегодня никто не может точно сказать, начнется ли когда-нибудь саморазмножение электростанций в Сахаре. Если план развития сработает к 2050 году, то солнечная энергетика в Сахаре достигнет суммарной мощности до 100 гигаватт. Это около 3 процентов установленной мощности электростанций всего мира. Экономику развития солнечной энергетики еще предстоит оценить в деталях. И тут ученым есть на кого ориентироваться. Похожий замысел вынашивают организация Desertec Foundation и целый конгломерат немецких компаний. Они собираются к году выстроить в Сахаре комплекс солнечных электростанций суммарной мощностью опять-таки 100 гигаватт. Использование различных возможных методов и технологий по передаче потоков электрической энергии в масштабах десятков гигаватт обсуждается учеными во всем мире.
На рис. 1 показано, что в пустыне Сахара, в которой отмечается 360 солнечных дней в году, площадь солнечных батарей размером 300 км х 300 км может обеспечить все мировое потребление электроэнергии. Площади 150 км х 150 км и 50 км х 50 км – обеспечивают все потребление Европы и Германии соответственно. При этом из рис. 1 видно, что эти площади занимают весьма малую часть пустыни.
Рис. 2. Возможные направления передачи электроэнергии и других видов энергии
Возникает проблема: как и каким способом, передать эту энергию, в том числе электрическую в промышленные и густозаселенные районы? Порядок величины расстояний передачи составляет км, требуемая мощность порядка десятков ГВт.
Обсуждению именно этих проблем и возможных решений по передаче гигантских потоков энергии на дальние расстояния был посвящен симпозиум в Постдаме в 2011 г., на котором обсуждались возможные варианты решений передачи энергии. Основным выводом обсуждения является то, что электроэнергию передать на большие расстояния можно только с помощью линий постоянного тока, поскольку воздушные линии передач переменного тока имеют ограничения по длине в несколько сотен километров, а кабели переменного тока ограничены длиной до 30-50 км.
Однако основная направленность должна быть на сверхпроводящие кабели постоянного тока на основе низкотемпературных сверхпроводников, так и современных идей по кабелям постоянного тока на основе высокотемпературных сверхпроводников. В России и Японии были реализованы впервые проекты ВТСП кабелей постоянного тока длиной до 200 м на напряжение ±5-10 кВ и ток в 1-2 кА, успешные испытания которых прошли в г.
Необходимо рассмотреть весь круг вопросов связанных с передачей электроэнергии на дальние расстояния, в том числе и экономических, особенно в плане стоимости исходных сверхпроводников и криогенных систем .
Одним из вариантов повышения величины передаваемой энергии является перекачка жидкого водорода по сверхпроводящей магистрали от мест его приготовления (в тех же пустынных областях) к местам его использования (рис. 3). Жидкий водород является универсальным энергоносителем, а «бесплатный» холод может быть использован для охлаждения сверхпроводящих кабелей . При этом возникает возможность использования дешевого сверхпроводника на основе соединения MgB2 (диборид магния), открытого в 2001 году. Этот сверхпроводник может работать при температуре жидкого водорода, сохраняя сверхпроводящие свойства в полном объеме. Он относительно дешев и прост в производстве.
Производство сверхпроводников на основе диборида магния планируется компанией Коламбус Супрекондактор (Италия) Джианни Грассо. Был сделан теоретический расчет, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB2. Однако такая первая экспериментальная работа по проверке работы сверхпроводящей магистрали на основе MgB2 с жидким водородом была сделана в России.
В результате общим выводом о наиболее вероятном варианте передачи больших потоков энергии на большие расстояние является прокачка жидкого водорода с одновременным использованием сверхпроводящего кабеля постоянного тока на основе диборида магния для передачи электрической энергии. Хотя этот вариант требует большой проработки, однако он представляется оптимальным.
 |
Рис. 3. Вариант выполнения комбинированной сверхпроводящей магистрали с использованием и передачей жидкого водорода
Развивается прогресс в разработке ВТСП кабелей и энергомагистралей. Новые сверхпроводящие материалы и криогенные жидкости двойного применения расширяют также возможности использования гибридных сверхпроводящих энергомагистралей в различных отраслях энергетики, промышленности и физики. Сегодняшний уровень разработок в этой области уже продемонстрировал их существенные преимущества, позволяет реально оценить их характеристики и приступить к разработке и реализации экономически выгодных проектов в энергетике.
Литература
1. Черноплеков технологии: современное состояние и перспективы практического применения // Вестник РАН, № 4, 2001 г.
2. Елагин П. Сверхпроводниковые кабели - реальные очертания будущей энергетики // Новости электротехники, № 4 (34), 2005 г.
3. Высоцкий В. C., и др. Сверхпроводимость в электромеханике и электроэнергетике // Электричество, № 7, 2005 г.
4. , Качанов и применение сверхпроводящих кабелей и энергомагистралей для повышения эффективности электроснабжения // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век.: Cборник материалов Х международной научно-практической Интернет-конференции / Под редакцией д. т.н. проф. , д. т.н., проф. , д. т.н., проф. . – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. – С. 114-117.
Член-корреспондент АЭН РФ, д. т.н., начальник сектора, ФГУП “ЦИАМ им. ”, Москва, ул. Авиамоторная,.
Е-mail: lepeshkin. *****@***com.
Академик АЭН РФ, д. т.н., профессор, зав. кафедрой “Электрооборудование и энергосбережение”, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК», e-mail: *****@***ru