介紹
整個現代世界經濟依賴於恐龍時代積累的財富：石油、天然氣、煤炭和其他化石燃料。我們生活中的大部分活動，從乘坐地鐵到在廚房加熱水壺，最終都需要燃燒這一史前遺產。主要問題是這些現成的能源資源不可再生。人類遲早會從地底抽出所有的石油，燒掉所有的瓦斯，挖出所有的煤。那我們用什麼來加熱茶壺呢？
我們也不應該忘記燃料燃燒對環境的負面影響。大氣中溫室氣體含量的增加導致整個地球的平均溫度升高。 燃料燃燒產物 污染空氣。大城市的居民對此感覺特別好。
我們都在思考未來，即使這個未來並沒有伴隨我們而來。國際社會早就認識到化石燃料的局限性。以及它們的使用對環境的負面影響。主要國家已經在實施逐步過渡到環保和可再生能源的計劃。
在世界各地，人類正在尋找並逐步引入化石燃料的替代品。長期以來，太陽能、風能、潮汐能、地熱能和水力發電廠一直在世界各地運行。現在看來，是什麼阻止我們在他們的幫助下滿足人類的所有需求？
事實上，替代能源存在很多問題。例如，能源資源的地理分佈問題。風電場只建在強風經常吹的地區，太陽能 - 陰天最少的地區，水力發電廠 - 在大河流上。當然，石油也並非隨處可見，但運輸起來更容易。
替代能源的第二個問題是不穩定。在風電場，發電取決於風，風不斷改變速度或完全停止。太陽能發電廠在多雲的天氣裡不能很好地工作，晚上根本不工作。
風和太陽都沒有考慮能源消費者的需求。同時，熱電廠或核電廠的能量輸出是恆定的並且易於調節。解決這個問題只能是建設巨大的儲能設施，在產量低的情況下創造儲備。然而，這大大增加了整個系統的成本。
由於這些和許多其他困難，世界替代能源的發展正在放緩。燃燒化石燃料仍然更容易、更便宜。
但是，如果在全球經濟規模上，替代能源不能提供太多好處，那麼在單個房屋的框架內，它們可能非常有吸引力。許多人已經感覺到電、熱和天然氣的關稅在不斷增加。每年，能源公司都在深入普通人的口袋。
國際風險基金 I2BF 的專家首次介紹了可再生能源市場的概況。根據他們的預測，在 5 到 10 年內，替代能源技術將變得更具競爭力並得到廣泛應用。替代能源和傳統能源的成本差距已經在迅速縮小。
能源成本是指替代能源生產商希望獲得的價格，以補償其在項目生命週期內的資本支出並提供 10% 的投資資本回報。這個價格還將包括債務融資的成本，因為大多數槓桿率很高。
給定的圖表說明了對 2011 年第二季度各種替代能源和傳統能源的評估（圖 1）。
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| 米。一。 | 各類替代能源和傳統能源的評估 |
根據以上數字，地熱能以及燃燒垃圾和填埋氣產生的能源是所有類型替代能源中成本最低的。事實上，他們已經可以直接與傳統能源競爭，但限制他們的因素是這些項目可以實施的地方數量有限。
對於那些想要擺脫電力工程師的一時興起、想要為替代能源的發展做出貢獻、只想節省一點能源的人來說，這本書是寫成的。
從書 V. Germanovich, A. Turilin “替代能源。利用風、太陽、水、地球、生物質能的實用設計。
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替代能源有未來嗎？
可再生能源的替代來源是一個非常有趣和有前途的方向。例如，有幾種從空氣中生成水的有效方法。沒錯，這裡有必要使用生成器。是否會找到新的方法來解決這些問題並改進方法，時間會證明一切。
是否可以明智地使用資源是一個大問題
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替代能源的類型。
風能、太陽能、水能、生物燃料、地球的熱量是相對取之不盡、用之不竭的可再生能源。替代能源的好處是不可否認的，因為它們可以保護自然資源。此外，它們更符合環境安全要求。
風能。
利用風力發電的原理是將動能轉化為電能、熱能、機械能。風力發電機用於產生電能。它們可以有不同的技術參數、尺寸、設計、水平或垂直旋轉軸。風帆是海上運輸中使用風力發電的典型例子，而風車則是將其轉化為機械能。
葉片的直徑及其位置的高度決定了風力發電機的功率。在 3 m/s 的風力下，發電機開始產生電流，並在 15 m/s 時達到最大值。超過 25 m/s 的風力至關重要 - 發電機已關閉。
太陽能是來自太陽的禮物。
太陽能作為替代能源是太陽在地球上賦予生命使命的自然延續。但是，雖然人類還沒有學會直接使用它。目前，太陽能電池板用作將太陽能轉化為電能的轉換器，而太陽能集熱器則用於熱能。此外，在某些情況下，使用兩種類型的組合。
太陽能技術包括用太陽光線加熱表面，以及使用熱水供應熱水、加熱或用於蒸汽發電機。太陽能集熱器用於將太陽能轉化為熱能。他們共同的 權力取決於 太陽能或熱電站系統中包含的單個設備的數量和功率。
太陽能電池板分為：
- 矽
- 電影
目前使用矽晶體的電池需求量最大，而薄膜電池是最方便的。矽板是私人住宅的最佳選擇之一。
水電是利用水的動力。
水力發電廠中渦輪機的工作原理是水力對水輪機葉片的影響，從而產生電力。有時，只有那些水力發電站才被歸類為替代能源類型，不使用強大的水壩，並且在水的自然流動的影響下產生電流。這是由於強大的水力發電廠對自然河流景觀、變淺和災難性洪水造成的重大負面影響。
環保主義者不反對使用海洋和潮汐的自然能源。在這種情況下，動能轉化為電能發生在特殊的潮汐站。
地熱能是地球的熱量。
地球表面不僅在熱震源噴發的地方（例如堪察加半島）散發熱量，而且在地球的幾乎所有地區都散發熱量。為了提取地球的熱量，使用特殊的熱泵，然後將其轉化為電能或用作熱量。 裝置的工作原理 是基於熱力學定律和液體和氣體行為的物理定律，特別是氟利昂。
泵的設計類型決定了能源的主要來源，例如土壤-空氣或土壤-水。
生物燃料。
獲得生物燃料的原理是基於使用特殊裝置處理有機產品。在加工過程中，會產生熱能或電能。生物燃料可以是液體、固體或氣體。例如，固體包括燃料團塊、液體 - 生物乙醇、氣體 - 沼氣。其品種包括在垃圾填埋場形成的垃圾填埋氣。利用舊垃圾填埋場產生的沼氣有助於解決垃圾回收問題。
替代能源：它是什麼以及為什麼需要它
直到今天，能源仍然基於成熟且經過驗證的發電方式。它們是著名的核電站、電力和水力發電站。所有這些都使用我們星球的資源，這些資源遲早會耗盡，或者涉及可能造成無法彌補的傷害的反應。
2017年，這些資源的使用百分比分佈如下：
- 39.3% - 煤炭；
- 22.9% - 天然氣；
- 16% - 水；
- 10.6% - 核能；
- 4.1% - 油。
今天，這個充滿希望的領域正在尋找周圍世界中能夠：
- 更新您的資源（即取之不盡用之不竭）；
- 在質量方面完全替代傳統產品；
- 經濟實惠；
- 不損害環境。
傳統能源有什麼問題？
煤炭、石油和天然氣在生產人類所需能源方面尚未找到完全替代品。但是，他們的庫存有限且無法回收。
例如，我們的地球花費了長達 3.5 億年的時間來創造石油和天然氣，而我們以更快的速度耗盡了它們的資源。
2010 年地球上大約 90% 的能源是通過燃燒植物或動物原料中的化石和生物燃料產生的。直到 2040 年，此類生產的份額不會低於 80%。與此同時，能源消耗也在增長：到第 40 年 - 增長了 56%。
早在 2012 年，科學家們就表示，地球上的全部天然氣供應將在 2052 年結束，而石油將持續更長時間——直到 2060 年。也就是說，我們的孩子已經可以趕上油輪或天然氣管道將不再有用，森林將被砍伐的時間。
與燃燒產物和核能發電相關的有害排放物是臭氧消耗劑和全球變暖導體。
因此，整個現代文明，無論政治家和石油生產商如何看待它，都面臨著一個全球性的問題——什麼能源將取代傳統能源，同時保護環境。
火電行業
俄羅斯最常見的能源部門。該國的火力發電廠使用煤炭、天然氣、石油產品、頁岩礦床和泥炭作為原料，可生產超過 1,000 兆瓦的電力。產生的一次能源進一步轉化為電能。從技術上講，這樣的電台有很多優勢，這決定了它們的受歡迎程度。這些包括對操作條件的要求不高和工作流技術組織的簡易性。
冷凝設備和熱電聯產形式的熱電設施可以直接建在消耗性資源的開採地區或消費者所在的地區。季節性波動不會影響車站的穩定性，這使得此類能源可靠。但火力發電廠也存在劣勢，包括使用可枯竭的燃料資源、環境污染、需要連接大量勞動力資源等。
選擇什麼：可再生能源還是核能？
從歷史上看，核能、煤炭和水電一直是巨大的能源
因此，不考慮到世界上許多國家都在密切參與可再生能源領域的發展，俄羅斯聯邦領導人計劃到 2020 年初僅從可再生能源中獲得 4.5% 的能源，實現碳氫化合物儲量不是無限的
俄羅斯政府指望钚和聚變能產生長期能源；這種能源沒有得到充分開發，對人類構成真正的威脅。這適用於所有核能的開發和應用。
為了在 2007 年在法國對核能進行更多研究，開始建造具有國際重要性的實驗性熱核反應堆。
該項目由包括俄羅斯在內的多個國家共同創立。創建這樣一個項目的主要目的是證明從熱核聚變中獲得的能量作為電能來源的可能商業用途。尚未找到解決此問題的方法。
根據參與熱核過程研究的科學家的計算，到 2100 年從它們那裡獲得的能量將無法超過 100 吉瓦的標準，這是解決人類發電相關問題的低指標.例如，我們可以以現代世界發電廠提供 4000 吉瓦電力的事實為例。
解決獲取電力問題的唯一方法是人類向可再生能源的轉變，同時使用有助於節約電力的技術。這種轉變的好處將是保護地球的氣候。啟動此過程所需的所有資金都可用。
現代俄羅斯的替代能源
與往年相比，俄羅斯的替代能源發展較快，但並不占主導地位。今天，該國的大部分能源來自傳統來源。
太陽能發電廠
烏拉爾的太陽能發電廠
該國南部地區以及西部、東西伯利亞和遠東地區具有生產太陽能的潛力。在俄羅斯，從太陽中提取能量是有希望的，所以這個方向的項目得到了國家的支持。
水力和潮汐發電廠
俄羅斯正在積極利用水勢發電：截至 2017 年，該國擁有 15 個容量超過 1000 兆瓦的發電廠，以及數百個容量較低的電站。水力發電廠產生的能源成本是火力發電廠的一半。
潮汐站需要大量資金，因此在俄羅斯聯邦不會向這個方向發展。根據科學家的預測，TPP 可能佔俄羅斯發電量的五分之一。
風力發電機
由於風速低，在俄羅斯不可能安裝水平旋轉軸的發電機。然而，通常使用具有垂直旋轉軸的結構。
烏里揚諾夫斯克地區的風力發電廠
截至2018年，俄羅斯風力渦輪機的總容量達到134兆瓦。烏里揚諾夫斯克地區最大的發電廠（容量 - 35 兆瓦）。
地熱站
俄羅斯有5座地熱發電廠，其中3座位於堪察加半島。根據 2016 年的數據，GeoPP 產生了該半島 40% 的電力消耗。
生物燃料應用
燃料生產也在俄羅斯組織。同時，該國開發固體生物燃料比液體生物燃料更有利可圖。現在生產在符拉迪沃斯托克的一家工廠進行。
核電站
俄羅斯正在利用核能發電，並繼續朝這個方向發展。新站正在建設中，新的提取方法正在被應用。根據2019年的數據，俄羅斯有10座核電站在運行。俄羅斯聯邦的核電站發電能力位居世界第二，中華人民共和國在該行業獲得冠軍。
風能
風電場是一種很有前途的發電方式，尤其是在風向恆定的地方。
獲得這種能量的方法不會污染自然環境。然而，這取決於風的方向和強度的不穩定性。雖然這種依賴可以通過安裝飛輪和各種電池來部分平滑。
但風電場的建設、維護和維修並不便宜。此外，它們的運行伴隨著噪音，干擾鳥類和昆蟲，並通過旋轉部件反射無線電波。
數據中心的替代能源
數據中心所有者對替代電力來源越來越感興趣。保持容量增長速度的唯一方法是顯著降低部署、維護和冷卻數據中心的成本。有幾種選擇。
例如，服務器運行期間產生的熱量可以用於空間供暖。因此，2015 年，Yandex 加熱了芬蘭的整個城市。通過向城市供熱，Yandex 得以償還部分電費。
冷卻數據中心是 IT 公司最昂貴的費用項目之一。平均而言，製冷佔能源成本的 45%。
節省設備冷卻的原始方法是使用“自然冷卻”。或者，簡單地說，用街道上的空氣冷卻服務器。對於一年中大部分時間戶外寒冷的俄羅斯來說，情況尤其如此。
另一種冷卻數據中心空氣的方法，讓您節省 關於能源成本 — 絕熱冷卻方法。在這種情況下，噴水以降低溫度。蒸發時，它會吸收熱量，並以這種簡單的方式降低空氣的溫度。
無論如何，在試驗之前，最好進行詳細的能源審計。其結果將有助於分析能源消耗狀況並確定節約能源的機會。
為什麼我們需要替代能源
當可耗盡的能源（化石燃料）耗盡時，人類將不得不轉向 AES（替代能源）。截至 2017 年，俄羅斯 35% 的電力是在核電站和水力發電廠以無碳方式生產的。
使用傳統能源存在問題，原因如下：
- TPP 使用的燃料將在不久的將來耗盡。根據最壞的估計，這將在 30 年後發生；
- 化石燃料的成本在上漲，所以電價也在上漲；
- 發電產品污染環境；
- 車站產生的熱量會導致全球變暖。
人類只有一種方式——過渡到 AIE。
潮起潮落的能量
潮汐能轉化為電能在潮汐發電廠以兩種方式進行：
- 第一種方法，根據能量轉換的原理，類似於水力發電廠中通過旋轉與發電機相連的渦輪機進行能量轉換；
- 第二種方法是利用水運動的能量；這種方法是基於漲潮和退潮時的水位差。
優點
- 太陽能是一種可再生資源。只要太陽存在，它的能量就會到達地球。
- 太陽能發電不會造成水或空氣污染，因為燃燒燃料不會發生化學反應。
- 太陽能可以非常有效地用於加熱和照明等實際用途。
- 太陽能的好處經常被用於加熱世界各地的游泳池、度假村和水箱。
缺點
- 如果沒有陽光，太陽能就不會產生能量。夜間和陰天嚴重限制了產生的能量。
- 太陽能發電廠的建造成本可能非常高。
可再生能源的主要類型
太陽的能量
太陽能被認為是主要的環保能源。迄今為止，熱力學和光電方法已被開發並用於發電。確認了納米天線的可操作性和前景的概念。太陽作為取之不盡的環保能源，可以很好地滿足人類的需求。
風能
風能長期以來被人們和風車成功地利用。科學家們正在開發新的和改進現有的風電場。降低成本並提高風車的效率。它們在海岸和常風地區特別重要。通過將氣團的動能轉化為廉價的電能，風電場已經為各個國家的能源系統做出了重大貢獻。
地熱能
地熱能源使用取之不盡的資源——地球的內部熱量。有幾種工作方案不會改變過程的本質。天然蒸汽被清除氣體並送入旋轉發電機的渦輪機。類似的裝置在世界各地運行。地熱源提供電力，為整個城市供暖並照亮街道。但地熱能的發電量很少，生產技術效率低下。
潮汐能和波浪能
潮汐能和波浪能是將水團運動的勢能轉化為電能的一種快速發展的方法。該技術能量轉換率高，潛力巨大。沒錯，它只能在海洋沿岸使用。
生物質能
生物質分解過程導致釋放含有甲烷的氣體。淨化後，可用於發電、空間供暖和其他家庭需求。有小企業完全滿足他們的能源需求。
太陽電磁輻射能量
它可用於發電和供熱。太陽輻射直接轉化為電能既可以通過光伏板內部光電效應現象直接轉化，也可以通過熱力學方法間接轉化為電能（高壓蒸汽）。
太陽能發電廠
收據 熱能來自 太陽能是通過吸收這種能量並進一步加熱表面和冷卻劑而產生的，既通過特殊的收集器，也通過使用“太陽能建築”技術。
設置集 太陽能的轉換是太陽能 發電廠。
優點
風能不會產生污染環境的污染。由於沒有化學過程發生，如燃燒化石燃料時，不會留下有害的副產品。
- 由於風力發電是一種可再生能源，我們永遠不會完成它。
- 農業和放牧仍然可以在風力渦輪機佔據的土地上進行，這有助於生產生物燃料。
- 風電場可以建在海上。
太陽能集熱器的裝置和用途
原始的太陽能集熱器是一塊黑色金屬板，放置在一層薄薄的透明液體下。正如你從學校物理課程中知道的那樣，深色物體比淺色物體更熱。這種流體在泵的幫助下移動，冷卻板並同時加熱。加熱的液體迴路可以放置在連接到 冷水的來源.通過加熱水箱中的水，來自收集器的液體被冷卻。然後它又回來了。因此，該能源系統可以讓您獲得恆定的熱水來源，並且在冬季還可以獲得熱輻射器。
有三種類型的收集器在設備上有所不同
迄今為止，此類設備有 3 種類型：
- 空氣;
- 管狀；
- 平坦的。
空氣
空氣收集器由深色板組成。
空氣收集器是覆蓋有玻璃或透明塑料的黑色板。空氣在這些板周圍自然或強制循環。暖空氣用於加熱房屋內的房間或烘乾衣服。
優點是設計極其簡單，成本低。唯一的缺點是使用強制空氣循環。但是你可以沒有它。
管狀
這種收集器的優點是簡單和可靠。
管狀集熱器看起來像幾根玻璃管排成一排，內部塗有吸光材料。它們連接到一個共同的收集器，流體通過它們循環。這種收集器有 2 種方式來傳輸接收到的能量：直接和間接。第一種方法在冬天使用。第二個全年使用。使用真空管有一個變化：一個插入另一個，在它們之間產生真空。
這將它們與環境隔離並更好地保留產生的熱量。優點是簡單和可靠。缺點包括安裝成本高。
平坦的
為了使收集器更有效地工作，工程師們提出使用集中器。
平板集熱器是最常見的類型。正是他作為一個例子來解釋這些設備的工作原理。與其他品種相比，這種品種的優點是簡單和便宜。缺點是比其他亞型不遭受顯著的熱量損失。
為了改進現有的太陽能係統，工程師們建議使用一種稱為聚光鏡的鏡子。它們允許您將水溫從標準的 120 攝氏度提高到 200 攝氏度。這種收集器的亞種稱為濃度。這是執行成本最高的選項之一，這無疑是一個缺點。
第 4 位。潮汐和波浪發電廠
傳統水力發電廠的工作原理如下：
- 水壓供給渦輪機。
- 渦輪開始旋轉。
- 旋轉被傳輸到發電的發電機。
建造水力發電站比火力發電站更昂貴，而且只有在水能儲量大的地方才有可能。但主要問題是由於需要修建水壩而對生態系統造成的破壞。
潮汐發電廠的工作原理類似，但利用潮汐的力量產生能量。
“水”類型的替代能源包括波浪能這樣一個有趣的方向。其本質歸結為利用海浪能發電，遠高於潮汐能。今天最強大的波浪發電廠是 Pelamis P-750，它產生 2.25 兆瓦的電能。
這些巨大的對流器（“蛇”）在海浪中擺動，因此液壓活塞開始在內部移動。他們通過液壓馬達泵油，而液壓馬達又反過來產生髮電機。由此產生的電力通過沿底部鋪設的電纜輸送到岸邊。將來，對流器的數量將成倍增加，該站將能夠產生高達 21 兆瓦的電力。
風能利用歷史
無法準確地說出使用風能解決一個人的經濟問題是什麼時候開始的。風車自古埃及時代就已為人所知。在中國古代，風車被用來從稻田抽水。從古巴比倫時代開始，人們就更早地知道使用帆來航行，這只是書面證據。
那時的歐洲是野蠻部落的聚集地。隨著文明跡象的出現，這裡也出現了風車、帆船。但在很長一段時間內，風的使用到此為止。太不穩定、不可預測的來源，如果沒有備用選項，就不可能指望它。
隨著生產的發展，出現了第一批從井中抽水的泵。與此同時，開始使用風車作為驅動器。這種設備今天仍然有效，它們簡單、可靠且操作要求不高。
隨著將旋轉運動轉化為電能的裝置——發電機的出現，風力發電機開始出現。儘管戰爭停止了歐洲的許多項目，但風力渦輪機在 20 世紀迅速發展。
今天，使用風電場的領導者是美國和中國。歐洲有大量站點，它們集中在西海岸。最重要的是在丹麥，這是可以理解的——這個國家沒有其他來源。
HPP 的高效率，大多數地區缺乏強而穩定的風，降低了人們對風能的興趣。此外，當時存在的設備生產率不高，無法產生足夠的能量。該問題已通過使用汽油或柴油發電機得到解決，這些發電機更可靠並準備在正確的時間產生所需的結果。
如今，人們對風能的興趣顯著增長。新的、更有效的發展已經出現，可以提供足夠數量的消費者。此外，還有強大的釹磁鐵，可以讓您獨立製造具有低轉速工作能力的發電機，這從根本上改變了這種情況，引起了設計師的極大興趣。
