Другие виды нетрадиционных источников энергии.

Рассмотрим использование перспективных нетрадиционных источников энергии, для получения электрической энергии, которые лишь условно можно отнести к возобновляемым источникам энергии.

В последние десятилетия ведутся работы над применением водорода в качестве топлива для энергетических установок. В качестве примера, по использованию водорода, можно привести эксплуатацию автомобилей на этом виде топлива. Ещё в 1972 году фирмой «Фольксваген» был представлен автомобиль переоборудованный для работы на водороде в качестве горючего. Примерно в тоже время в России была продемонстрирована простота переоборудования автомобильного двигателя (использован серийный двигатель автомобиля ГАЗ-652) для работы на водороде и показана его полная экологическая безвредность.

В настоящее время разработано большое количество проектов получения водорода. Например, в Японии разработан проект завода по производству водорода и кислорода из морской воды. Солнечная энергия с помощью тепловых нагревательных коллекторов подводится к морской воде и преобразует её в пар, который поступает в генераторы-электролизеры, потребляющие в среднем электрическую мощность около 1 МВт. В процессе электролитического разложения паров воды получается водород и кислород. Таким образом, весь предварительный процесс подогрева и парообразования морской воды для поступления пара в электролизеры осуществляется за счёт солнечной энергии, что увеличивает помимо всех остальных преимуществ экологическую чистоту этого метода производства водорода.

При непосредственном преобразовании тепла в электроэнергию, может быть достигнуто за счёт применения термоэлектрических преобразователей или фотоэлектрических преобразователей. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) представляют собой батарею из определенного числа последовательно или параллельно соединенных термоэлементов (электрическая цепь из двух разнородных материалов, при нагревании одного контакта и охлаждении другого в цепи элемента возникает направленное движение электрических зарядов). Явление возникновения электрического тока при нагревании контактов термоэлемента было впервые обнаружено в 1822 году Зеебеком по отклонению магнитной стрелки, расположенной вблизи цепи. ТЭП не содержит каких-либо механически движущихся элементов и осуществляет непосредственное преобразование тепла в электроэнергию, что снижает его отрицательное воздействие на среду.

Фотоэлектрические преобразователи – это полупроводниковые приборы, основаны на эффекте вырывания электронов светом. Все космические корабли и искусственные спутники Земли имеют в качестве бортовых источников питания солнечные батареи, работающие по принципу непосредственного преобразования солнечного излучения в электроэнергию. В настоящее время из-за высокой стоимости 1 кВт ч электроэнергии не нашли широкого применения.

К классу непосредственных преобразователей относятся термоэмиссионные преобразователи, которые представляют устройства. Работа таких преобразователей основана на явлении эмиссии частиц с нагретого катода, которое было открыто в 1884 году выдающимся американским электротехником и изобретателем Томасом Эдисоном. В 1897 году Джозеф Джон Томсон показал, что с нагретого катода происходит эмиссия электронов. Данное явление широко использовалось и используется в радиотехнике. Возможность применения термоэлектрической эмиссии, для производства электрической энергии, была показана ещё в начале века. В настоящее время разрабатывается два типа термоэмиссионных электрогенераторов: термоионные и термоэлектронные.

Термоионные преобразователи удобно компонуются с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ) ядерных реакторов и изотопными источниками энергии. Прогресс в этой области техники позволит, следовательно, ориентироваться на ядерный источник энергии, а не на органические ресурсы. В настоящее время проводятся исследования по использованию солнечных систем с концентраторами излучения в качестве источников энергии для термоэмиссионных преобразователей. Использование ядерной или солнечной энергии позволит исключить отрицательные воздействия на среду, свойственные методам получения электроэнергии, основанным на сжигании органического топлива.

Магнитогидродинамические преобразователи лишь условно можно отнести к методам непосредственного преобразования энергии. Все современные машинные электрические генераторы основаны на взаимодействии перемещающихся относительно друг друга проводников с током и магнитного поля. Идея магнитогидродинамического (МГД) преобразования энергии основана на замене твёрдого движущегося проводника потоком высокопроводящего газа или жидкости. Поскольку МГД преобразователи энергии основаны на использовании эффекта движения проводящей жидкости в магнитном поле, поэтому их называют магнитогидродинамическими. Идея использования данного явления для получения электрической энергии была высказана еще основателем теории электричества английским физиком Майклом Фарадеем. Именно Фарадей предложил использовать для получения электроэнергии движение морских течений в магнитном поле Земли. Для осуществления магнитогидродинамического эффекта в потоке ионизированного газа или плазмы необходимо иметь достаточную электропроводность высокотемпературного потока. Минимально необходимое для этого значение электропроводности в ионизированном газе может быть получено при температуре порядка двух с половиной градусов по Цельсию. Высокие требования к источникам тепла по температуре для плазменных МГД генераторов и жесткие условия для работы конструкционных материалов более чем на столетие задержали дальнейшее развитие установок энергетического МГД преобразования. К концу 80-х годов в городе Рязани был построен первый энергетический МГД блок мощностью 500 МВт.

Термоядерные электростанции. Термоядерные реакции возникают в результате столкновения между собой быстрых атомных ядер в веществе, нагретом до очень высокой температуры (миллионы градусов). В основе указанного явления лежит способность ядер при относительно высоких скоростях движения преодолевать потенциальный барьер электростатического отталкивания. При сближении на достаточно близкие расстояния ядра реагируют друг на друга с выделением значительного количества энергии. Причём выделяемая энергия заметно выше, чем первоначально необходимая энергия для разгона ядер до значительных относительных скоростей.

В настоящее время выделились два направления исследований по использованию термоядерных реакций. Первое – это системы типа «Токамак». В Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова уже экспериментально получена устойчивая термоядерная плазма с температурой до 15 млн. градусов. В установках этого типа плазма должна гореть постоянно, система предусматривает осуществление реакции в стационарном режиме. Однако отвод тепла из зоны реакции для преобразования его в электроэнергию по одному из известных способов на уровне температур в миллионы градусов – ещё очень сложная задача. Второе направление - импульсные установки, в которых происходят управляемые взрывы небольшой мощности. В специальных камерах термоядерное горючее воспламеняется здесь при помощи луча лазера, однако, могут быть использованы и электронные или ионные пучки. Воспламенение горючего в камере энергоустановки осуществляется аналогично процессу, происходящему в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В качестве горючего в термоядерной установке подобного тина используется смесь дейтерия с тритием.

Термоядерная реакция на ядрах легких элементов начинается только при очень высоких температурах и плотности горючего. Поэтому до момента зажигания горючего необходимо его тысячекратное сжатие. После сжатия и зажигания происходит термоядерный взрыв очень малой мощности, но при этом выделяется энергии значительно больше, чем ее затрачивается на «запуск» реакции. Установки подобного типа получили название «Ангара». В сентябре 1979 году в Институте атомной энергии им И.В. Курчатова был пущен атомный модуль демонстрационной термоядерной установки «Ангара-5». Несомненно, что от подобных экспериментальных установок до промышленного использования термоядерного синтеза предстоит пройти ещё очень большой путь.

Термоядерная реакция синтеза даст возможность использовать природные соединения в качестве горючего, где практически отсутствует сложнейший технологический этап его предварительной обработки. Следовательно, для энергоустановок этого типа исключается топливный цикл обогащения ядерного горючего, который имеет место при подготовке топлива для современных АЭС, где реализуются реакции деления тяжелых элементов. В связи с этим нет проблемы радиационной опасности при производстве ядерного топлива, его транспортировке и захоронении остатков.

Обсуждая новые методы преобразования видов энергии, нельзя не сказать об исследуемых уже в настоящее время новых технических решениях по передаче электроэнергии. Одно из наиболее интересных направлений в этой области – это применение эффекта сверхпроводимости. Физические основы данного явления были экспериментально открыты в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Оннессом. Исследуя электропроводность ртути при температуре около – 268,8°С, он обнаружил полное исчезновение сопротивления ртути электрическому току. Способность металлов обладать практически нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, получила название сверхпроводимости. Создание криогенных ЛЭП, т.е. линий передач, работающих в условиях низких температур, представляет сложную научную и инженерную проблему. Однако существующие высоковольтные линии практически исчерпали заложенные в них возможности. По пути до потребителя в протянувшихся по всей стране линиях электропередач теряется, по имеющимся оценкам, до 15–25 % всей вырабатываемой энергии. Использование сверхпроводимости равноценно введению дополнительных мощностей.