20. Альтернативные источники энергии

После исчерпания запасов ископаемых топлив необходимо будет использовать другие источники энергии. Для сохранения среды обитания их применение при этом не должно сопровождаться повышенным шумоизлучением и выделением вредных для здоровья живых организмов веществ. Под этими другими альтернативными ископаемыми источниками энергии понимаются следующие: энергия солнечного излучения, геотермальная энергия, ядерная энергия, энергия приливов и отливов морей и океанов планеты.

Из числа этих источников наиболее мощной является солнечная энергия. Энергия солнечного света, падающего на земную поверхность в течение одного дня, может удовлетворить годовую потребность человечества в энергии. Пути преобразования солнечной энергии разнообразны.

Существует реальная возможность ее превращения непосредственно в электрический ток в солнечных батареях. Однако КПД такого преобразования в настоящее время невысок, а попытки использования солнечных батарей для привода автомобиля пока заканчивались не слишком успешно.

Больший эффект дает способ преобразования солнечной энергии благодаря установке, изображенной на рис. 137. При помощи направленных зеркал (гелиостатов) солнечные лучи концентрируются на небольшой поверхности, где размещен котел с жидкостью. Образующиеся при испарении жидкости пары приводят в движение турбину генератора переменного тока, отдающего электроэнергию в линию электропередач. В паровой контур помимо конденсатора дополнительно включен тепловой аккумулятор, обеспечивающий подачу пара на турбину, в то время когда Солнце не освещает земную поверхность. Несколько таких электростанций уже сданы в эксплуатацию, их мощность составляет несколько мегаватт.

Рис. 137. Схема солнечной электростанции: 1 - солнечные лучи; 2 - гелиостат; 3 - котел; 4 - тепловой аккумулятор; 5 - паровая турбина; 6 - конденсатор; 7 - линия электропередачи

Другим способом превращения солнечной энергии в электрическую служит размещение двигателя Стирлинга непосредственно в фокусе параболического зеркала. Схематический разрез генератора дан на рис. 138 [18]. Рабочий поршень двигателя является одновременно магнитным якорем электрического генератора переменного тока и благодаря упругой газовой опоре в корпусе совершает колебательные движения с небольшой (20 мм) амплитудой. Масса поршня выбрана из условий получения частоты колебаний, соответствующей промышленной частоте переменного тока в электрической сети (50 или 60 Гц). Корпус агрегата подвешен упруго, так что обе его части приходят во взаимное колебательное движение. В цилиндрическом корпусе агрегата размещена спираль с охлаждающей жидкостью; сверху корпус закрыт мембранным клапаном, выполняющим функцию насосного элемента. При движении колеблющегося корпуса в одном направлении клапан закрыт и движения охлаждающего воздуха нет. При движении в противоположном направлении клапан открывается и пропускает воздух через корпус генератора. Мощность двигателя изменяется автоматически в зависимости от количества подводимой теплоты, однако частота колебаний остается постоянной. Колеблющийся рабочий поршень возбуждает электрический ток в обмотке статора. На рис. 139 показаны следующие стадии работы установки:

1 - вытеснитель движется вверх и газ из расширительной камеры через трубки подогревателя, регенератор и радиатор поступает в холодную камеру сжатия; газ при этом охлаждается. Рабочий поршень находится в верхней мертвой точке и давление в газовой пружине наибольшее;

2 - давлением газовой пружины рабочий поршень перемещается в нижнее положение, где находится вытеснитель, и газ в холодной камере сжимается;

3 - сжатый газ проходит через подогреватель и радиатор, нагревается и перемещает вверх вытеснитель, имеющий больший диаметр, чем рабочий поршень;

4 - нагретый газ, имея высокое давление, заставляет оба поршня двигаться вверх и совершать работу; газовая пружина при этом снова подвергается сжатию. Поскольку весь агрегат имеет упругую подвеску и совершает колебательные движения, в результате начинает работать мембранный насос охлаждающего воздуха и таким образом отводится теплота от охлаждающей жидкости.

Рис. 138. Электрический генератор с двигателем Стирлинга, размещаемый в фокусе параболического гелиостата: 1 - мембранный клапан охлаждающего воздуха; 2 - газовая пружина; 3 - упругая подвеска корпуса; 4 - газовый подшипник; 5 - обмотка статора; 6 - газовый подшипник; 7 - пластины радиатора; 8 - водяная рубашка радиатора; 9 - регенератор; 10 - трубки подогревателя; 11 - теплоизоляция; 12 - солнечные лучи, концентрируемые гелиостатом; 13 - расширительная камера; 14 - вытеснитель; 15 - трубка водяного радиатора; 16 - холодная камера сжатия; 17 - вход охлаждающего воздуха; 18 - рабочий поршень; 19 - спираль водяного радиатора; 20 - пластины водяного радиатора; 21 - выход охлаждающего воздуха

Рис. 139. Работа электрического генератора с двигателем Стирлинга

Солнечная энергия, поступающая на Землю, обеспечивает движение воздуха на планете и нагревает огромное количество воды в мировом океане, способствуя ее циркуляции. Полученную благодаря перемещению этих масс энергию можно преобразовать в другие ее виды и затем использовать для привода автомобиля.

Использование энергии ветра было известно еще на заре технического прогресса. Ветряные электростанции строили в небольших населенных пунктах, удаленных от линий электропередачи. В последнее время интерес к таким электростанциям постоянно растет и ветросиловые установки совершенствуются. На рис. 140 показаны крупнейшие из созданных в настоящее время ветросиловые генераторные установки. Конструкция установки меньшей мощности (100 кВт) представлена на рис. 141.

Рис. 140. Крупнейшие созданные ветросиловые генераторные установки (размеры даны в метрах): 1 - генератор 'Говиан-П' мощностью 5 МВт; 2 - генератор 'Боинг'; 3 - 'генератор 'Ютландия'; 4 - генератор 'Говиан-1'

Рис. 141. Конструкция ветряной электростанции ЭРДА НАСА мощностью 100 кВт: 1 - гидравлическое устройство поворота лопастей винта; 2 - генератор; 3 - клиноременная передача; 4 - повышающий редуктор; 5 - ступица винта; 6 - лопасть винта; 7 - фундаментная рама; 8 - устройство поворота корпуса установки; 9 - направление ветра

Геотермальную тепловую энергию можно использовать тем же путем, что и тепловую энергию солнечного света, т. е. на тепловых электростанциях, а большое количество энергии морских приливов и отливов можно, например, преобразовать в электроэнергию на специальных гидроэлектростанциях.

Применение ядерной энергии в последние годы быстро растет, причем этот вид энергии наиболее пригоден для использования в энергетических установках с большими агрегатными мощностями. Однако проблема захоронения и уничтожения продуктов радиоактивного распада атомных электростанций остается по-прежнему неразрешимой.

Все рассмотренные альтернативные источники энергии (за исключением ядерной) имеют тот общий недостаток, что они работают нерегулярно и поэтому их энергию необходимо аккумулировать. Кроме того, все альтернативные источники энергии обладают большой масштабностью, вследствие чего они не пригодны для размещения в автомобиле. Для применения в нем энергии этих источников ее нужно преобразовывать в такой вид, который сможет быть применен при эксплуатации автомобилей. Альтернативные источники энергии следует оценивать комплексно, т. е. учитывать функциональность, надежность, безопасность, экономичность. При этом, проводя оценку экономичности автомобиля, следует учитывать все возникающие расходы: от затрат для получения энергии из заменителей топлива до затрат на ее преобразование в механическую энергию для движения автомобиля.